Les ingénieurs de Caltech ont développé un commutateur, l’un des composants les plus fondamentaux de l’informatique, utilisant des composants optiques plutôt qu’électroniques. Le développement pourrait contribuer aux efforts visant à réaliser un traitement et un calcul ultra-rapides du signal tout optique.
Les appareils optiques ont la capacité de transmettre des signaux beaucoup plus rapidement que les appareils électriques en utilisant des impulsions lumineuses plutôt que des signaux électriques. C’est pourquoi les appareils modernes utilisent souvent des optiques pour envoyer des données ; par exemple, pensez aux câbles à fibre optique qui offrent des vitesses Internet beaucoup plus rapides que les câbles Ethernet conventionnels.
Le domaine de l’optique a le potentiel de révolutionner l’informatique en faisant plus, à des vitesses plus rapides et avec moins de puissance. Cependant, l’une des principales limitations des systèmes basés sur l’optique à l’heure actuelle est qu’à un certain moment, ils ont encore besoin de transistors basés sur l’électronique pour traiter efficacement les données.
Maintenant, en utilisant la puissance de la non-linéarité optique (plus sur cela plus tard), une équipe dirigée par Alireza Marandi, professeur adjoint de génie électrique et de physique appliquée à Caltech, a créé un commutateur tout optique. Un tel interrupteur pourrait éventuellement permettre le traitement de données à l’aide de photons. La recherche a été publiée dans la revue Photonique de la nature le 28 juillet.
Les commutateurs sont parmi les composants les plus simples d’un ordinateur. Un signal entre dans le commutateur et, selon certaines conditions, le commutateur permet au signal d’avancer ou de l’arrêter. Cette propriété marche/arrêt est le fondement des portes logiques et du calcul binaire, et c’est ce que les transistors numériques ont été conçus pour accomplir. Cependant, jusqu’à ce nouveau travail, réaliser la même fonction avec la lumière s’est avéré difficile. Contrairement aux électrons dans les transistors, qui peuvent fortement affecter le flux les uns des autres et provoquer ainsi une « commutation », les photons n’interagissent généralement pas facilement les uns avec les autres.
Deux éléments ont rendu cette percée possible : le matériau utilisé par l’équipe de Marandi et la manière dont ils l’ont utilisé. Tout d’abord, ils ont choisi un matériau cristallin connu sous le nom de niobate de lithium, une combinaison de niobium, de lithium et d’oxygène qui n’existe pas dans la nature mais qui, au cours des 50 dernières années, s’est avérée essentielle dans le domaine de l’optique. Le matériau est intrinsèquement non linéaire : en raison de la manière particulière dont les atomes sont disposés dans le cristal, les signaux optiques qu’il produit en sortie ne sont pas proportionnels aux signaux d’entrée.
Alors que les cristaux de niobate de lithium sont utilisés en optique depuis des décennies, plus récemment, les progrès des techniques de nanofabrication ont permis à Marandi et à son équipe de créer des dispositifs photoniques intégrés à base de niobate de lithium qui permettent de confiner la lumière dans un espace minuscule. Plus l’espace est petit, plus l’intensité de la lumière est grande avec la même puissance. En conséquence, les impulsions de lumière transportant des informations à travers un tel système optique pourraient fournir une réponse non linéaire plus forte que cela ne serait autrement possible.
Marandi et ses collègues ont également confiné la lumière temporellement. Essentiellement, ils ont réduit la durée des impulsions lumineuses et ont utilisé une conception spécifique qui maintiendrait les impulsions courtes lorsqu’elles se propagent à travers l’appareil, ce qui a donné à chaque impulsion une puissance de crête plus élevée.
L’effet combiné de ces deux tactiques – le confinement spatio-temporel de la lumière – est d’améliorer considérablement la force de la non-linéarité pour une énergie d’impulsion donnée, ce qui signifie que les photons s’affectent maintenant beaucoup plus fortement.
Le résultat net est la création d’un séparateur non linéaire dans lequel les impulsions lumineuses sont acheminées vers deux sorties différentes en fonction de leurs énergies, ce qui permet de commuter en moins de 50 femtosecondes (une femtoseconde est un quadrillionième de seconde). En comparaison, les commutateurs électroniques de pointe prennent des dizaines de picosecondes (une picoseconde est un billionième de seconde), une différence de plusieurs ordres de grandeur.
L’article s’intitule « Commutation tout optique femtojoule femtoseconde dans la nanophotonique au niobate de lithium ».
Qiushi Guo et al, Commutation tout optique femtojoule femtoseconde dans la nanophotonique au niobate de lithium, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01044-5