Un échangeur pour les autoroutes de données optiques

Les recherches menées par les universités Monash et RMIT à Melbourne ont trouvé un moyen de créer un circuit intégré photonique avancé qui établit des ponts entre les autoroutes de données, révolutionnant la connectivité des puces optiques actuelles et remplaçant les optiques 3D encombrantes par une fine tranche de silicium.

Cette évolution, publiée dans la revue Photonique de la naturea la capacité d’accélérer les progrès mondiaux de l’intelligence artificielle et propose des applications réelles importantes telles que :

Qu’il s’agisse d’allumer un téléviseur ou de maintenir la trajectoire d’un satellite, la photonique (la science de la lumière) transforme notre façon de vivre. Les puces photoniques peuvent transformer la capacité de traitement d’utilitaires volumineux de la taille d’un banc en puces de la taille d’un ongle.

Le Dr Mike Xu du Département de génie électrique et des systèmes informatiques de l’Université Monash et maintenant à l’Université des postes et télécommunications de Pékin, le professeur Arthur Lowery du Département de génie électrique et des systèmes informatiques de l’Université Monash, et le Dr Andy Boes, qui a mené cette recherche alors qu’il était à RMIT.

Le professeur Arnan Mitchell et le Dr Guanghui Ren ont conçu la puce afin qu’elle soit prête pour la démonstration expérimentale.

Le chercheur principal du projet, le professeur Arthur Lowery, boursier lauréat de l’ARC de l’Université Monash, a déclaré que cette percée complète la découverte précédente du Dr Bill Corcoran de l’Université Monash, qui, en partenariat avec le RMIT en 2020, a développé une nouvelle puce à micropeigne optique qui peut presser trois fois le trafic. de l’ensemble du NBN via une seule fibre optique, considérée comme la vitesse Internet la plus rapide au monde à partir d’une seule puce de la taille d’un ongle.

La puce micropeigne optique a construit plusieurs voies de l’autoroute; maintenant, la puce à étalonnage automatique a créé les rampes et les ponts d’activation et de désactivation qui les relient tous et permettent un plus grand mouvement des données.

« Nous avons fait la démonstration d’une puce de filtre photonique programmable à auto-étalonnage, dotée d’un noyau de traitement du signal et d’un chemin de référence intégré pour l’auto-étalonnage », explique le professeur Lowery.

« L’auto-étalonnage est important car il rend les circuits intégrés photoniques accordables utiles dans le monde réel ; les applications incluent les systèmes de communication optique qui commutent les signaux vers des destinations en fonction de leur couleur, les calculs très rapides de similarité (corrélateurs), l’instrumentation scientifique pour l’analyse chimique ou biologique , et même l’astronomie.

« L’électronique a vu des améliorations similaires dans la stabilité des filtres radio utilisant des techniques numériques, ce qui a permis à de nombreux mobiles de partager le même morceau de spectre ; nos puces optiques ont des architectures similaires, mais peuvent fonctionner sur des signaux avec des bandes passantes térahertz. »

Cette percée a mis trois ans à se préparer.

Les nouvelles technologies dépendantes d’Internet, telles que les voitures autonomes, l’exploitation minière télécommandée et les équipements médicaux, nécessiteront à l’avenir une bande passante encore plus rapide et accrue. L’augmentation de la bande passante ne consiste pas seulement à améliorer les fibres optiques dans lesquelles notre Internet circule, il s’agit de fournir des commutateurs compacts de nombreuses couleurs, allant dans de nombreuses directions, afin que les données puissent être envoyées sur plusieurs canaux à la fois.

« Cette recherche est une percée majeure – notre technologie photonique est maintenant suffisamment avancée pour que des systèmes vraiment complexes puissent être intégrés sur une seule puce. L’idée qu’un appareil peut avoir un système de référence sur puce qui permet à tous ses composants de fonctionner comme un seul est une percée technologique qui nous permettra de résoudre les problèmes d’engorgement de l’Internet en reconfigurant rapidement les réseaux optiques qui transportent notre Internet pour obtenir des données là où elles sont le plus nécessaires », déclare le professeur Arnan Mitchell de l’InPAC.

Les circuits photoniques sont capables de manipuler et d’acheminer des canaux optiques d’informations, mais ils peuvent également fournir une certaine capacité de calcul, par exemple pour rechercher des modèles. La recherche de modèles est fondamentale pour de nombreuses applications : diagnostic médical, véhicules autonomes, sécurité Internet, identification des menaces et algorithmes de recherche.

La reprogrammation rapide et fiable des puces permet de programmer rapidement et avec précision de nouvelles tâches de recherche. Cependant, cette fabrication doit être précise au degré d’une infime longueur d’onde de la lumière (nanomètres), ce qui est actuellement difficile et extrêmement coûteux – l’auto-étalonnage surmonte ce problème.

L’un des principaux défis de la recherche consistait à intégrer toutes les fonctions optiques dans un appareil pouvant être « branché » à l’infrastructure existante.

« Notre solution consiste à calibrer les puces après la fabrication, à les régler en fait en utilisant une référence sur puce, plutôt qu’en utilisant un équipement externe », explique le professeur Lowery, boursier lauréat de l’ARC. « Nous utilisons la beauté de la causalité, effet suivant la cause, qui dicte que les retards optiques des chemins à travers la puce peuvent être uniquement déduits de l’intensité par rapport à la longueur d’onde, ce qui est beaucoup plus facile à mesurer que des retards temporels précis. Nous avons ajouté une forte chemin de référence vers notre puce et l’a calibré. Cela nous donne tous les paramètres nécessaires pour «composer» et la fonction de commutation ou la réponse spectrale souhaitée.

La méthode est une étape critique pour rendre les puces photoniques pratiquement utiles. Plutôt que de rechercher un réglage, semblable au réglage d’une vieille radio, les chercheurs ont pu régler la puce en une seule étape, permettant le basculement rapide et fiable des flux de données d’une destination à une autre.

Un réglage fiable des puces photoniques ouvre de nombreuses autres applications, telles que les corrélateurs optiques, qui peuvent presque instantanément trouver des modèles de données dans des flux de données, tels que des images, sur lesquelles le groupe travaille également.

« Alors que nous intégrons de plus en plus d’équipements de la taille d’un banc sur des puces de la taille d’un ongle, il devient de plus en plus difficile de les faire fonctionner ensemble pour atteindre la vitesse et la fonction qu’ils avaient lorsqu’ils étaient plus gros. Nous avons surmonté ce défi en créant une puce suffisamment intelligente pour se calibrer afin que tous les composants puissent agir à la vitesse dont ils avaient besoin à l’unisson », explique le Dr Andy Boes de l’Université d’Adélaïde.