Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou proposent une méthode pour prédire avec précision le niveau de bruit causé par l'amplification de signaux photoniques et plasmoniques dans des circuits optoélectroniques à l'échelle nanométrique. Dans leurs recherches publiées dans Examen physique appliqué , les scientifiques décrivent une approche qui peut être utilisée pour évaluer les taux de transfert de données ultimes dans les microprocesseurs optoélectroniques émergents et découvrir les limites fondamentales de la bande passante des interfaces nanophotoniques.

Les polaritons de plasmons de surface sont des oscillations électroniques collectives sur une surface métallique couplées à un champ électromagnétique. Un plasmon de surface pourrait être considéré comme un quantum de lumière comprimé, et cela explique pourquoi les dispositifs plasmoniques sont prometteurs pour de nombreuses applications :ils sont presque aussi compacts que les composants nanoélectroniques, mais en même temps, ils permettent des taux de transfert de données jusqu'à quatre ordres de grandeur plus élevés que les fils électriques. Le remplacement même de certaines des interconnexions électriques sur une puce par des composants plasmoniques (nanophotoniques) donnerait un coup de pouce bien nécessaire aux performances du microprocesseur.

Le principal obstacle actuellement rencontré par la plasmonique est l'atténuation du signal. En raison des pertes élevées, Les plasmons de surface ne peuvent se propager sur de longues distances que dans des guides d'ondes plasmoniques dits actifs. De tels guides d'ondes non seulement guident le signal plasmonique de l'émetteur au récepteur, mais l'amplifient également en utilisant l'énergie du courant électrique circulant dans le dispositif. Cette énergie ajoutée compense les pertes de signal et permet aux plasmons de surface de se propager librement le long du guide d'onde, tout comme l'énergie fournie par une pile fait tourner une horloge à quartz.

Cependant, il existe un problème fondamental associé à l'amplification du signal et à la compensation des pertes. Chaque amplificateur n'augmente pas seulement l'amplitude de l'entrée, mais ajoute également des signaux aléatoires indésirables. Les physiciens appellent ces signaux du bruit. Selon les lois de la thermodynamique, il est impossible de supprimer tout le bruit d'un système. La distorsion du signal d'origine est largement déterminée par le bruit, ce qui limite fondamentalement les taux de transfert de données et provoque des erreurs dans les bits reçus si les informations sont transférées à des taux plus élevés. Pour augmenter le taux de transfert de données, le rapport signal sur bruit doit être amélioré. L'importance de ce ratio est évidente pour quiconque a eu l'expérience de parler à quelqu'un dans une rue passante ou d'écouter une station de radio.

"Le bruit joue un rôle clé dans près de la moitié de tous les appareils de nos maisons, des téléphones portables et des téléviseurs aux canaux à fibre optique qui sont l'épine dorsale de l'Internet haut débit. L'amplification du signal diminue inévitablement le rapport signal sur bruit. En réalité, plus un amplificateur fournit de gain, ou, dans notre cas, plus la perte de signal qu'il doit compenser est importante, plus le niveau de bruit qu'il produit est élevé. Ce problème est particulièrement prononcé dans les guides d'ondes plasmoniques avec gain, " dit Dmitri Fedyanin.

Une étude récente de Fedyanin et Andrey Vyshnevyy publiée dans Examen physique appliqué traite d'un type particulier de bruit :le bruit photonique produit lorsque des signaux plasmoniques sont amplifiés dans des dispositifs à semi-conducteurs. Sa cause principale est l'émission dite spontanée. Lorsqu'un signal photonique est amplifié, la puissance de l'onde optique augmente en raison des transitions des électrons d'états d'énergie supérieurs à inférieurs - la différence d'énergie entre les deux états d'énergie est libérée sous forme de quanta de lumière. Cette émission peut être à la fois stimulée et spontanée.

Alors que l'émission stimulée amplifie le signal, l'émission spontanée produit des quanta aléatoires d'énergies diverses, c'est à dire., bruit à large spectre. Le bruit peut être observé sous forme de fluctuations aléatoires de la puissance du signal résultant de l'interférence des composantes fréquentielles du signal et de l'émission spontanée (ce phénomène est appelé "battement"). Toute augmentation du gain apporté par un amplificateur augmente le niveau de bruit et élargit les spectres d'émission, à la fois stimulé et spontané. L'applicabilité des approches bien établies de l'optique quantique, qui visent à décrire l'interaction de la lumière avec des atomes individuels, diminue à mesure que les spectres du système étudié s'élargissent. Pour aborder le cas de l'amplification à haut gain à l'échelle nanométrique, les chercheurs ont essentiellement dû recommencer le travail à partir de zéro.

« Nous avons dû combler le fossé entre trois domaines différents de la physique qui se recoupent rarement :l'optique quantique, physique des semi-conducteurs et optoélectronique. Nous avons développé un cadre théorique permettant de décrire le bruit photonique dans des structures incorporant des milieux actifs avec un large spectre de gain. Bien que cette approche ait été initialement conçue pour les guides d'ondes plasmoniques avec gain, il peut être appliqué sans modification à tous les amplificateurs optiques et systèmes similaires, " dit Fedyanine.

Le bruit provoque des erreurs lors de la transmission, ce qui réduit considérablement le taux de transfert de données effectif en raison de la nécessité de mettre en œuvre des algorithmes de correction d'erreurs. En ce qui concerne le matériel, le contrôle des erreurs nécessite également des composants supplémentaires sur puce qui réalisent la correction, rendant les nouveaux appareils plus difficiles à concevoir et à fabriquer.

"Si nous connaissons la puissance du bruit dans un canal de communication nanophotonique, ainsi que ses caractéristiques spectrales, il est possible d'évaluer le taux maximum de transfert de données le long de ce canal. Par ailleurs, nous pouvons identifier des moyens de réduire la quantité de bruit en choisissant certains régimes de fonctionnement de l'appareil et en utilisant des techniques de filtrage optique et électrique, " ajoute Vyshnevyy.

La théorie proposée suggère une nouvelle classe de dispositifs qui combinent les avantages de l'électronique et de la photonique sur la même puce. Dans une puce de ce genre, des composants plasmoniques seraient utilisés pour une communication ultrarapide entre les cœurs de processeur et les registres. Bien que l'atténuation du signal était auparavant considérée comme le principal inconvénient de la puce proposée, l'étude récente de chercheurs russes montre que dès que la perte de signal est compensée, une technique est nécessaire pour traiter la question du bruit. Autrement, le signal peut simplement être noyé par le bruit d'émission spontanée, rendant la puce pratiquement inutile.

Les calculs effectués par les chercheurs démontrent qu'un guide d'ondes plasmonique actif d'une section de seulement 200 × 200 nanomètres pourrait être utilisé pour transmettre des signaux sur une distance de cinq millimètres. Cela peut sembler peu au regard des distances auxquelles nous faisons face dans la vie de tous les jours, mais ce nombre est en fait assez typique pour les microprocesseurs modernes. Quant aux taux de transfert de données, ils dépasseraient 10 Gbit/s par canal spectral, c'est à dire., un canal de communication de données qui utilise une longueur d'onde de lumière spécifique. Sans compter qu'un même guide d'onde nanométrique peut être utilisé simultanément par plusieurs dizaines de ces canaux spectraux si la technologie de multiplexage en longueur d'onde (WDM) est utilisée, qui est une norme dans toutes les lignes de communication optiques, y compris Internet à large bande. Pour mettre cela en perspective, le débit maximal de transfert de données à travers une interconnexion électrique (un conducteur en cuivre) de dimensions similaires n'est que de 20 Mbit/s, ce qui est au moins 500 fois plus lent !

Les scientifiques ont découvert comment la puissance du bruit et les caractéristiques du bruit dépendent des paramètres des guides d'ondes plasmoniques avec gain et ont montré comment le niveau de bruit peut être réduit pour garantir la bande passante maximale de l'interface nanophotonique. Ils ont prouvé qu'il est possible de combiner une taille miniature et un faible nombre d'erreurs avec un taux de transfert de données élevé et une efficacité énergétique relativement élevée dans un seul appareil, annonçant une "percée plasmonique" en microélectronique qui pourrait se produire dans les 10 prochaines années.