Photonique : Du sur-mesure au prêt à l'emploi

Les technologies de l'information continuent de progresser à un rythme rapide. Cependant, les demandes croissantes des centres de données ont poussé les systèmes électriques d'entrée-sortie à leur limite physique, ce qui a créé un goulot d'étranglement. Pour maintenir cette croissance, il faudra modifier la façon dont nous construisons les ordinateurs. L'avenir est optique.

Au cours de la dernière décennie, le domaine de la photonique a apporté une solution au problème de la largeur de bande de puce à puce dans le monde électronique en augmentant la distance de liaison entre des serveurs à plus grande largeur de bande, à beaucoup moins d'énergie et à plus faible latence par rapport aux interconnexions électriques.

Un élément de cette révolution, la photonique au silicium, a été mis en avant il y a quinze ans lorsque l'université de Santa Barbara et Intel ont fait la démonstration de la technologie des lasers au silicium. Cela a depuis déclenché une explosion de ce champ. Intel fournit actuellement des millions d'émetteurs-récepteurs photoniques en silicium pour les centres de données du monde entier. 

Aujourd'hui, une collaboration entre l'UC Santa Barbara, le Caltech et l'EPFL a fait une autre découverte révolutionnaire dans ce domaine. Le groupe a réussi à simplifier et à condenser un système optique complexe sur une seule puce photonique en silicium. Cette réalisation, publiée dans Nature, réduit considérablement le coût de production et permet une intégration facile avec la production traditionnelle de puces de silicium.

"L'ensemble de l'Internet est désormais piloté par la photonique", explique John Bowers, titulaire de la chaire Fred Kavli de nanotechnologie à l'université de Santa Barbara, qui 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 de l'internet, il reste des défis à relever. L'explosion du trafic de données implique également des exigences croissantes en matière de débits de données que les puces photoniques en silicium peuvent traiter. Jusqu'à présent, le moyen le plus efficace de répondre à cette demande est d'utiliser des lumières laser multicolores pour transmettre des informations : plus il y a de couleurs laser, plus il est possible de transporter des informations.

Mais 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 cinquante lasers ou plus dans cette puce à cette fin", dit Bowers. Et l'utilisation de cinquante lasers est coûteuse et inefficace en termes de puissance. De plus, le bruit et la chaleur peuvent faire fluctuer la fréquence de la lumière produite par chaque laser. Enfin, avec les lasers multiples, les fréquences peuvent même dériver les unes vers les autres, comme le faisaient les premières stations de radio.

Une solution peut être trouvée dans la technologie des "peignes de fréquences optiques", qui sont des collections de fréquences équidistantes de lumière laser. Le tracé des fréquences révèle des pics et des creux qui ressemblent à un peigne à cheveux - d'où le nom. 

Autrefois, la production de peignes nécessitait un matériel encombrant et coûteux, mais il est désormais possible d'y parvenir grâce aux peignes de fréquence à soliton basés sur des microrésonateurs récemment apparus, qui sont des sources de peignes de fréquence miniaturisées construites sur des puces photoniques CMOS. Grâce à cette approche de "photonique intégrée", l'équipe collaboratrice a mis au point le plus petit générateur de peigne du monde, qui résout essentiellement toutes ces questions.

Le système est assez simple, il consiste en un laser à rétroaction disponible dans le commerce 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", explique M. Bowers. "C'est ce qui est important dans tout ça."

La structure simple signifie une petite échelle, moins de puissance et un coût moindre. L'ensemble tient désormais dans un boîtier plus petit qu'une boîte d'allumettes dont le prix global et la consommation électrique sont inférieurs aux systèmes précédents. 

La nouvelle technologie est également beaucoup plus pratique à utiliser. Auparavant, la création d'un peigne stable avait été une entreprise délicate. Les chercheurs devaient ajuster la fréquence et la puissance juste comme il fallait pour produire un peigne de solitons cohérent, et même alors, le processus n'était pas garanti pour générer un peigne à chaque fois. "La nouvelle approche rend le processus aussi simple que d'allumer la lumière d'une pièce", explique Kerry Vahala, professeur de physique appliquée et de sciences et technologies de l'information au Caltech, où le nouveau schéma de génération de solitons a été découvert.

"Ce qui est remarquable dans ce résultat, c'est l'intégration photonique complète et la reproductibilité avec lesquelles les peignes de fréquence peuvent être générés à la demande", ajoute Tobias J. Kippenberg, professeur de physique à l'EPFL qui dirige le Laboratoire de photonique et de mesure quantique (LPQM), et dont le laboratoire a observé pour la première fois des microcombes il y a plus de dix ans.

L'équipe de l'EPFL a fourni les puces photoniques en nitrure de silicium à très faibles pertes, qui ont été fabriquées au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l'EPFL et servent de composant clé pour la génération de peignes de solitons. La technologie photonique au nitrure de silicium à faibles pertes a été commercialisée par la start-up de laboratoire LIGENTEC. 

La "magie" de toutes ces améliorations réside dans un phénomène physique intéressant : lorsque le laser de pompage et le résonateur sont intégrés, leur interaction forme un système hautement couplé qui s'auto-injecte et génère simultanément des "solitons" - des impulsions qui circulent indéfiniment à l'intérieur du résonateur et donnent naissance à des peignes de fréquences optiques. 

Cette nouvelle technologie devrait avoir un impact considérable sur la photonique. En plus de répondre aux exigences des sources lumineuses multicolores dans les produits liés à la communication, elle ouvre également de nombreuses nouvelles possibilités dans de nombreuses applications. Les horloges optiques en sont un exemple. Elles fournissent l'étalon de temps le plus précis au monde et sont utilisées dans un certain nombre d'applications, de la navigation à la mesure de constantes physiques. 

"Les horloges optiques étaient autrefois grandes, lourdes et coûteuses", explique M. Bowers. "Il n'y en a que quelques-uns dans le monde. Avec la photonique intégrée, nous pouvons fabriquer quelque chose qui pourrait tenir dans une montre-bracelet, et vous pourriez vous le permettre". 

"Les microcombes optiques intégrés à faible bruit permettront une nouvelle génération d'horloges, de communications et de capteurs optiques", déclare Gordon Keeler, responsable du projet à la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). "Nous devrions voir des récepteurs GPS plus compacts et plus sensibles sortir de cette approche."

Tout compte fait, l'avenir de la photonique est prometteur. "C'est l'étape clé pour transférer la technologie du peigne de fréquences du laboratoire au monde réel", déclare M. Bowers. "Cela va changer la photonique et notre vie quotidienne."