Commutateur optique peut réacheminer la lumière entre les puces extrêmement rapidement

Les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé un commutateur optique capable de réacheminer la lumière entre les puces informatiques en 20 milliardièmes de seconde. Le nouveau dispositif est plus rapide que les dispositifs similaires, et il pourrait être intégré à des puces en silicium à faible coût en raison de ses faibles tensions. Lorsqu’il redirige la lumière, la puce subit une perte de signal très faible.

Applications potentielles

La nouvelle puce aura de grandes implications pour l’informatique, et elle aidera à développer un ordinateur qui traite les informations à l’aide de la lumière plutôt que de l’électricité. Il existe plusieurs avantages à utiliser des photons pour transporter les données, notamment une vitesse de déplacement plus rapide 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 récemment développé utilise des composants optiques, électriques et mécaniques en or et en silicium à l’échelle nanométrique. Ceux-ci sont tous densément empacés et envoient de la lumière dans et hors d’un canal. Cela affecte sa vitesse et sa direction de déplacement.
Le dispositif a été décrit par l’équipe internationale dirigée par le NIST dans 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 autonomes pour réacheminer les faisceaux lumineux qui balayent la chaussée afin de mesurer la distance jusqu’aux autres véhicules et piétons. Le commutateur pourrait également être utilisé dans les réseaux de neurones, en utilisant des circuits basés sur la lumière plus puissants que les circuits basés sur l’électricité.
L’un des principaux avantages du nouveau commutateur est qu’il utilise très peu d’énergie pour réacheminer les signaux lumineux, ce qui pourrait être extrêmement important dans l’informatique quantique. Un ordinateur quantique a une relation fragile entre les paires de particules subatomiques, qui traite les données. En raison de leur nature fragile, un ordinateur doit fonctionner à des températures et à des puissances extrêmement faibles afin de ne pas perturber les paires de particules. Puisque le commutateur récemment développé nécessite beaucoup moins d’énergie, il pourrait s’avérer être un aspect important de l’informatique quantique.

Remettre en question les croyances bien établies

Selon Haffner, ainsi que ses collègues Vladimir Akysuk et Henri Lezec du NIST, les nouvelles découvertes contredisent de nombreuses croyances bien établies au sein de la communauté scientifique. De nombreux chercheurs pensent que ces types de commutateurs ne seraient pas pratiques en raison de leur taille encombrante et qu’ils fonctionneraient à des tensions élevées qui entraîneraient de mauvaises performances.
La configuration comprend un canal en forme de tube appelé guide d’onde, et un faisceau lumineux se déplace à l’intérieur. Il y a une sortie où une partie de la lumière sort dans une cavité qui se trouve à quelques nanomètres de distance.
Le commutateur utilise également une fine membrane en or suspendue à quelques dizaines de nanomètres au-dessus d’un disque en silicium, qui a la cavité gravée dedans. Lorsque la lumière se déplace, une partie d’elle fuit et frappe la membrane. Cette activité induit des groupes d’électrons qui se trouvent à la surface de la membrane à osciller. Les oscillations sont appelées plasmons, et ils sont un mélange d’une onde lumineuse et d’une onde électronique. Les électrons oscillants ont une longueur d’onde plus courte qui permet aux chercheurs de manipuler les plasmons sur des distances nanométriques. Tout cela aide le commutateur optique à rester extrêmement compact.
Si les chercheurs modifient l’écart entre le disque en silicium et la membrane 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 est soit bloquée, soit continue dans sa direction d’origine. Cela permet de transférer la lumière à d’autres puces informatiques à volonté.
Les prochaines étapes de l’équipe consistent à raccourcir la distance entre le disque en silicium et la membrane en or afin de rendre le dispositif plus petit. Cela aiderait à réduire encore plus la perte de signal, ce qui rendrait le commutateur encore plus utile à différentes industries.