Le commutateur optique peut rediriger la lumière entre les puces extrêmement rapidement

Les chercheurs du Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont développé un commutateur optique capable de rediriger la lumière entre les puces informatiques en 20 milliardièmes de seconde. Le nouveau dispositif est plus rapide que tous les dispositifs similaires, et il pourrait être intégré dans des puces en silicium à faible coût en raison de ses faibles tensions. Lorsqu'elle redirige la lumière, la puce subit une très faible perte de signal. 

Applications potentielles

La nouvelle puce aura de grandes implications pour l'informatique et aidera à développer un ordinateur qui traite les informations en utilisant la lumière plutôt que l'électricité. L'utilisation de photons pour transporter des données présente plusieurs avantages, notamment des déplacements plus rapides et une efficacité énergétique. Avec l'utilisation de l'électricité, les composants de l'ordinateur sont chauffés, ce qui gaspille de l'énergie et limite les performances de l'ordinateur. 

Le commutateur nouvellement développé utilise des composants optiques, électriques et mécaniques en or et en silicium à l'échelle nanométrique. Ceux-ci sont tous densément emballés et envoient de la lumière dans et hors d'un canal. Cela affecte sa vitesse et sa direction de déplacement. 

L'appareil a été décrit par l'équipe internationale dirigée par le NIST en Science. 

Selon le co-auteur Christian Haffner du NIST, de l'ETH Zurich et de l'Université du Maryland, le commutateur a de nombreuses applications potentielles. Il pourrait être utilisé dans les véhicules sans conducteur pour rediriger les faisceaux lumineux qui balayent une chaussée afin de mesurer la distance aux autres véhicules et aux piétons. Le commutateur pourrait également être utilisé dans les réseaux de neurones, en utilisant des circuits basés sur la lumière plus puissants que ceux basés sur l'électricité. 

L'un des principaux avantages du nouveau commutateur est qu'il utilise très peu d'énergie pour rediriger les signaux lumineux, ce qui pourrait être extrêmement important en informatique quantique. Un ordinateur quantique a une relation fragile entre des paires de particules subatomiques, qui traitent des données. En raison de leur nature fragile, un ordinateur doit fonctionner à des températures extrêmement basses et à faible puissance afin que les paires de particules ne soient pas perturbées. Étant donné que le commutateur nouvellement développé nécessite beaucoup moins d'énergie, il pourrait s'avérer être un aspect important de l'informatique quantique. 

Remettre en question les croyances de longue date

Selon Haffner, ainsi que ses collègues Vladimir Akysuk et Henri Lezec du NIST, les nouvelles découvertes contredisent de nombreuses croyances de longue date au sein de la communauté scientifique. De nombreux chercheurs pensent que ces types de commutateurs ne seraient pas pratiques en raison de leur taille volumineuse et qu'ils fonctionneraient à des tensions élevées qui ralentiraient les performances. 

La configuration comprend un canal en forme de tube appelé guide d'ondes, et un faisceau lumineux se déplace à l'intérieur de celui-ci. Il y a une rampe de sortie où une partie de la lumière sort dans une cavité située à quelques nanomètres. 

Le commutateur utilise également une fine membrane en or qui est suspendue à quelques dizaines de nanomètres au-dessus d'un disque de silicium, dans lequel est gravée la cavité. Lorsque la lumière se déplace, une partie s'en échappe et frappe la membrane. Cette activité induit l'oscillation des groupes d'électrons qui se trouvent à la surface de la membrane. Les oscillations sont appelées plasmons, et elles sont un mélange entre une onde lumineuse et une onde électronique. Les électrons oscillants ont une longueur d'onde plus courte qui permet aux chercheurs de manipuler les plasmons sur des distances à l'échelle nanométrique. Tout cela aide le commutateur optique à rester extrêmement compact. 

Si les chercheurs modifient l'écart entre le disque de silicium et l'élément en or de quelques nanomètres, la phase de l'onde lumineuse hybride est retardée ou avancée. Lorsque la phase de l'onde se recombine avec la lumière se déplaçant dans le canal en forme de tube, les deux faisceaux font que la lumière soit obstruée ou continue dans sa direction d'origine. Cela permet à la lumière d'être transférée à volonté vers n'importe quelle autre puce informatique. 

Les prochaines étapes de l'équipe consistent à raccourcir la distance entre le disque de silicium et la membrane d'or afin de rendre l'appareil plus petit. Cela aiderait à réduire davantage la perte de signal, rendant le commutateur encore plus utile pour différentes industries.