Changement dans la façon dont nous construisons les ordinateurs: la photonique –

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  • La technologie de l’information continue de progresser à un rythme rapide. Cependant, la demande croissante des centres de données a poussé les systèmes d’entrée-sortie électriques à leur limite physique, ce qui a créé un goulot d’étranglement. Pour maintenir cette croissance, il faudra changer la façon dont nous construisons les ordinateurs. L’avenir est optique.

    Au cours de la dernière décennie, la photonique a fourni une solution au problème de la bande passante puce à puce dans le monde électronique en augmentant la distance de liaison entre les serveurs avec une bande passante plus élevée, beaucoup moins d’énergie et une latence plus faible par rapport aux interconnexions électriques.

    Un élément de cette révolution, la photonique sur silicium, a été avancé il y a 15 ans par la démonstration de l’UC Santa Barbara et d’Intel d’une technologie laser au silicium. Cela a depuis déclenché une explosion de ce champ. Intel fournit maintenant des millions d’émetteurs-récepteurs photoniques en silicium pour les centres de données du monde entier.

    Une nouvelle découverte en photonique sur silicium par une collaboration entre l’UC Santa Barbara, Caltech et l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) révèle une autre révolution dans ce domaine. Le groupe a réussi à simplifier et condenser un système optique complexe sur une seule puce photonique en silicium. La réalisation, présentée dans La nature, réduit considérablement le coût de production et permet une intégration facile avec la production traditionnelle de puces de silicium.

    «L’Internet est désormais entièrement alimenté par la photonique», a déclaré John Bowers, titulaire de la chaire Fred Kavli en nanotechnologie à l’UC Santa Barbara, dirige l’Institut pour l’efficacité énergétique du campus et a dirigé l’effort de recherche en collaboration.

    Malgré le grand succès de la photonique dans la dorsale Internet, des défis subsistent. L’explosion du trafic de données impose une exigence croissante sur le débit de données que chaque puce photonique au silicium individuelle peut gérer. L’utilisation de la lumière laser multicolore pour transmettre des informations est le moyen le plus efficace de répondre à cette demande. Plus il y a de couleurs laser, plus d’informations peuvent être transportées.

    Cependant, cela pose un problème pour les lasers intégrés, qui ne peuvent générer qu’une seule couleur de lumière laser à la fois. “Vous pourriez littéralement avoir besoin de 50 lasers ou plus dans cette puce à cette fin”, a déclaré Bowers. Et l’utilisation de 50 lasers présente un certain nombre d’inconvénients. C’est cher et plutôt inefficace en termes de puissance. De plus, la fréquence de la lumière produite par chaque laser peut varier légèrement en raison du bruit et de la chaleur. Avec plusieurs lasers, les fréquences peuvent même dériver les unes dans les autres, tout comme le faisaient les premières stations de radio.

    Une technologie appelée “peignes de fréquences optiques” offre une solution prometteuse pour résoudre ce problème. Il fait référence à une collection de fréquences de lumière laser également espacées. Le traçage des fréquences révèle des pointes et des creux qui ressemblent à un peigne à cheveux – d’où le nom. Cependant, la production de peignes nécessitait un équipement encombrant et coûteux. En utilisant une approche photonique intégrée, l’équipe de Bowers a démontré le plus petit générateur de peigne au monde, qui résout tous ces problèmes.

    La configuration du système est assez simple, consistant en un laser à rétroaction distribué commercialement et une puce photonique en nitrure de silicium. “Ce que nous avons, c’est une source qui génère toutes ces couleurs à partir d’un laser et d’une puce. C’est ce qui est important à ce sujet”, a déclaré Bowers.

    La structure simple conduit à une réduction significative d’échelle, de puissance et de coût. L’ensemble de la configuration s’inscrit désormais dans un emballage plus petit qu’une boîte d’allumettes, dont le prix global et la consommation d’énergie sont inférieurs à ceux des systèmes précédents.

    De plus, la nouvelle technologie est également beaucoup plus pratique à utiliser. Auparavant, générer un peigne stable était une tâche délicate. Les chercheurs ont dû moduler la fréquence et ajuster la puissance juste pour produire un état de peigne cohérent, appelé soliton. Il n’était pas garanti que ce processus génère un tel état à chaque fois. «La nouvelle approche rend le processus aussi simple que d’allumer la lumière d’une pièce», a déclaré le co-auteur Kerry Vahala, professeur de physique appliquée et de sciences et technologies de l’information à Caltech.

    “Ce qui est remarquable dans le résultat, c’est la reproductibilité avec laquelle les peignes de fréquences peuvent être générés à la demande”, a ajouté Tobias J. Kippenberg, professeur de physique à l’EPFL qui a fourni les puces photoniques en nitrure de silicium à faibles pertes, une technologie déjà commercialisée via LIGENTEC. “Ce processus nécessitait un contrôle élaboré dans le passé.”

    La magie derrière toutes ces améliorations réside dans un phénomène physique intéressant. Lorsque le laser de pompe et le résonateur sont intégrés, l’interaction entre eux forme un système hautement couplé qui se verrouille par auto-injection et génère simultanément des «solitons», des impulsions qui circulent indéfiniment à l’intérieur du résonateur et donnent naissance à des peignes de fréquence optique. “Une telle interaction est la clé pour générer directement le peigne et le faire fonctionner à l’état de soliton”, a expliqué le co-auteur Lin Chang, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Bowers.

    Cette nouvelle technologie aura un impact important sur la photonique. En plus de répondre aux exigences des sources lumineuses multicolores dans les produits liés à la communication, il ouvre également de nombreuses nouvelles opportunités dans de nombreuses applications. Un exemple est les horloges optiques, qui fournissent l’étalon de temps le plus précis au monde et ont de nombreuses utilisations – de la navigation dans la vie quotidienne aux mesures de constantes physiques.

    «Auparavant, les horloges optiques étaient grandes, lourdes et coûteuses», a noté Bowers, «et il n’y en a que quelques-unes dans le monde. Grâce à la photonique intégrée, nous pouvons fabriquer quelque chose qui pourrait tenir dans une montre-bracelet, et vous pourriez vous le permettre. Faible bruit Les microcombs optiques intégrés permettront une nouvelle génération d’horloges optiques, de communications et de capteurs. Nous devrions voir des récepteurs GPS plus compacts et plus sensibles sortir de cette approche. “

    Dans l’ensemble, l’avenir s’annonce prometteur pour la photonique. “C’est l’étape clé pour transférer la technologie du peigne de fréquence du laboratoire au monde réel.” Dit Bowers. “Cela changera la photonique et notre vie quotidienne.”

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