Des milliers de kilomètres de câbles à fibres optiques sillonnent le monde et regroupent tout, des données financières aux vidéos de chats, dans la lumière. Mais lorsque le signal arrive à votre centre de données local, il se heurte à un goulot d'étranglement en silicium. Au lieu de lumière, les ordinateurs fonctionnent avec des électrons se déplaçant à travers des puces à base de silicium - qui, malgré d'énormes progrès, sont encore moins efficaces que la photonique.

Pour briser ce goulot d'étranglement, les chercheurs tentent d'intégrer la photonique dans des dispositifs en silicium. Ils ont développé des lasers, un composant essentiel des circuits photoniques, qui fonctionnent de manière transparente sur le silicium. Dans un article paru cette semaine dans Photonique APL , chercheurs de l'Université de Californie, Santa Barbara a écrit que l'avenir des lasers à base de silicium pourrait être minuscule, structures atomiques appelées points quantiques.

De tels lasers pourraient économiser beaucoup d'énergie. Le remplacement des composants électroniques qui connectent les appareils avec des composants photoniques pourrait réduire la consommation d'énergie de 20 à 75 pour cent, Justin Normand, un étudiant diplômé de l'UC Santa Barbara, mentionné. "C'est une réduction substantielle de la consommation d'énergie mondiale simplement en ayant un moyen d'intégrer des lasers et des circuits photoniques avec du silicium."

Silicium, cependant, n'a pas les bonnes propriétés pour les lasers. Les chercheurs se sont plutôt tournés vers une classe de matériaux des groupes III et V du tableau périodique car ces matériaux peuvent être intégrés au silicium.

Initialement, les chercheurs ont eu du mal à trouver une méthode d'intégration fonctionnelle, mais a finalement fini par utiliser des points quantiques car ils peuvent être cultivés directement sur du silicium, dit Normand. Les points quantiques sont des particules semi-conductrices de seulement quelques nanomètres de large, suffisamment petites pour se comporter comme des atomes individuels. Lorsqu'il est conduit avec du courant électrique, les électrons et les trous chargés positivement se confinent dans les points et se recombinent pour émettre de la lumière, une propriété qui peut être exploitée pour fabriquer des lasers.

Les chercheurs ont fabriqué leurs lasers à points quantiques III-V en utilisant une technique appelée épitaxie par faisceau moléculaire. Ils déposent le matériau III-V sur le substrat de silicium, et ses atomes s'auto-assemblent en une structure cristalline. Mais la structure cristalline du silicium diffère des matériaux III-V, conduisant à des défauts qui permettent aux électrons et aux trous de s'échapper, performances dégradantes. Heureusement, Parce que les points quantiques sont regroupés à des densités élevées (plus de 50 milliards de points par centimètre carré), ils capturent les électrons et les trous avant que les particules ne soient perdues.

Ces lasers présentent de nombreux autres avantages, dit Normand. Par exemple, les points quantiques sont plus stables dans les circuits photoniques car ils ont des états d'énergie localisés de type atomique. Ils peuvent également fonctionner avec moins d'énergie car ils n'ont pas besoin d'autant de courant électrique. De plus, ils peuvent fonctionner à des températures plus élevées et être réduits à des tailles plus petites.

Rien que l'année dernière, les chercheurs ont fait des progrès considérables grâce aux progrès de la croissance matérielle, dit Normand. Maintenant, les lasers fonctionnent à 35 degrés Celsius sans trop de dégradation et les chercheurs rapportent que la durée de vie pourrait atteindre 10 millions d'heures.

Ils testent maintenant des lasers qui peuvent fonctionner à 60 à 80 degrés Celsius, la plage de température plus typique d'un centre de données ou d'un superordinateur. Ils travaillent également à la conception de guides d'ondes épitaxiaux et d'autres composants photoniques, dit Normand. "Soudainement, " il a dit, "nous avons fait tellement de progrès que les choses semblent un peu plus à court terme."