Les circuits intégrés photoniques programmables (PPIC) traitent les ondes lumineuses à des fins de calcul, de détection et de signalisation de manière à pouvoir être programmées pour répondre à diverses exigences. Des chercheurs de l'Institut des sciences et technologies de Daegu Gyeongbuk (DGIST), en Corée du Sud, avec des collaborateurs de l'Institut avancé des sciences et technologies de Corée (KAIST), ont réalisé une avancée majeure dans l'intégration de systèmes microélectromécaniques dans les PPIC.

Leurs recherches ont été publiées dans la revue Nature Photonics. .

"Les processeurs photoniques programmables promettent de surpasser les supercalculateurs conventionnels, en offrant des capacités de calcul plus rapides, plus efficaces et massivement parallèles", déclare Sangyoon Han de l'équipe DGIST. Il souligne qu'en plus des vitesses accrues obtenues en utilisant la lumière au lieu du courant électrique, la réduction significative de la consommation d'énergie et de la taille des PPIC pourrait conduire à des progrès majeurs dans les domaines de l'intelligence artificielle, des réseaux neuronaux, de l'informatique quantique et des communications.

Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) au cœur de cette nouvelle avancée sont de minuscules composants capables d'interconvertir les modifications optiques, électroniques et mécaniques pour exécuter la variété de fonctions de communication et mécaniques nécessaires à un circuit intégré.

Les chercheurs pensent qu'ils sont les premiers à intégrer les technologies MEMS photoniques à base de silicium sur des puces PPIC qui fonctionnent avec des besoins en énergie extrêmement faibles.

"Notre innovation a considérablement réduit la consommation d'énergie à des niveaux de femtowatt, ce qui représente une amélioration d'un million de fois par rapport à l'état de la technique précédent", explique Han. La technologie peut également être intégrée à des puces jusqu'à cinq fois plus petites que les options existantes.

L'une des clés de la réduction spectaculaire des besoins en énergie était de s'éloigner de la dépendance aux changements de température exigée par les systèmes « thermo-optiques » dominants actuellement utilisés. Les minuscules mouvements mécaniques requis sont alimentés par des forces électrostatiques :les attractions et les répulsions entre les charges électriques fluctuantes.

Les composants intégrés aux puces de l'équipe peuvent manipuler une caractéristique des ondes lumineuses appelée « phase » et contrôler le couplage entre différents guides d'ondes parallèles, qui guident et contraignent la lumière. Ce sont les deux exigences les plus fondamentales pour la création de PPIC. Ces fonctionnalités interagissent avec des « actionneurs » micromécaniques (essentiellement des commutateurs) pour compléter le circuit intégré programmable.

La clé du progrès a été d’appliquer des concepts innovants à la fabrication des pièces requises à base de silicium. Il est essentiel que le processus de fabrication puisse être utilisé avec la technologie conventionnelle des plaquettes de silicium. Cela le rend compatible avec la production à grande échelle de puces photoniques essentielles aux applications commerciales.

L'équipe prévoit désormais d'affiner sa technologie pour construire et commercialiser un ordinateur photonique qui surpassera les ordinateurs électroniques conventionnels dans une grande variété d'applications. Han dit que des exemples d'utilisations spécifiques incluent les tâches d'inférence cruciales dans l'intelligence artificielle, le traitement avancé des images et la transmission de données à large bande passante.

"Nous espérons continuer à repousser les limites de la technologie informatique, en contribuant davantage au domaine de la photonique et à ses applications pratiques dans la technologie moderne", conclut Han.

Plus d'informations : Dong Uk Kim et al, Réseaux photoniques programmables basés sur des éléments microélectromécaniques avec une consommation d'énergie en veille de niveau femtowatt, Nature Photonics (2023). DOI :10.1038/s41566-023-01327-5

Fourni par l'Institut des sciences et technologies de Daegu Gyeongbuk (DGIST)