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Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont réalisé ce que les scientifiques tentent de faire depuis une vingtaine d'années : dans le cadre des travaux de laboratoire qu'ils et elles mènent dans le cadre des projets de recherche européens Horizon 2020, ils et elles ont fabriqué une puce sur laquelle des signaux électroniques rapides peuvent être directement convertis en signaux lumineux ultrarapides - sans pratiquement aucune perte de qualité du signal. Il s'agit d'une avancée significative en termes d'efficacité des infrastructures de communication optique qui utilisent la lumière pour transmettre des données, comme les réseaux de fibres optiques.
Dans des villes comme Zurich, ces réseaux de fibres optiques sont déjà utilisés pour fournir l'internet à haut débit, la téléphonie numérique, la télévision et les services vidéo ou audio en réseau (streaming). Cependant, d'ici la fin de la décennie, même ces réseaux de communication optiques pourraient atteindre leurs limites en matière de transmission rapide de données.
Cela est dû à la demande croissante de services en ligne pour le streaming, le stockage et le calcul, ainsi qu'à l'avènement de l'intelligence artificielle et des réseaux 5G. Les réseaux optiques actuels atteignent des débits de transmission de données de l'ordre de gigabits (109 bits) par seconde. La limite est d'environ 100 gigabits par voie et longueur d'onde. À l'avenir, cependant, les débits de transmission devront atteindre la région du térabit (1012 bits par seconde).
Nouveau : l'électronique et la lumière sur la même puce
«La demande croissante exigera de nouvelles solutions», déclare Juerg Leuthold, professeur de photonique et de communication à l'ETH Zurich. «La clé de ce changement de paradigme réside dans la combinaison d'éléments électroniques et photoniques sur une seule puce». Le domaine de la photonique (la science des particules de lumière) étudie les technologies optiques pour la transmission, le stockage et le traitement de l'information.
Les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich sont parvenu·es à cette combinaison : dans le cadre d'une expérience menée en collaboration avec des partenaires en Allemagne, aux États-Unis, en Israël et en Grèce, ils et elles ont réussi pour la première fois à réunir des éléments électroniques et lumineux sur une seule et même puce. C'est un grand pas en avant d'un point de vue technique, car ces éléments doivent actuellement être fabriqués sur des puces séparées, puis reliés par des fils.
Cette approche a des conséquences : d'une part, la fabrication séparée des puces électroniques et photoniques est coûteuse. D'autre part, elle entrave les performances lors de la conversion des signaux électroniques en signaux lumineux et limite ainsi la vitesse de transmission dans les réseaux de communication par fibre optique, explique Ueli Koch, post-doc dans le groupe de Juerg Leuthold et auteur principal de l'étude, qui a été publiée dans la revue Nature Electronics.
Une taille compacte pour une vitesse maximale
«Si vous convertissez les signaux électroniques en signaux lumineux à l'aide de puces séparées, vous perdez une grande partie de la qualité du signal. Cela limite également la vitesse de transmission des données par la lumière», explique Ueli Koch. Son approche commence donc par le modulateur, un composant de la puce qui génère de la lumière d'une intensité donnée en convertissant les signaux électriques en ondes lumineuses. La taille du modulateur doit être aussi petite que possible afin d'éviter une perte de qualité et d'intensité dans le processus de conversion, et afin de transmettre la lumière - ou plutôt les données - plus rapidement qu'il n'est possible de le faire aujourd'hui (voir ETH News, 01.02.2016).
Cette compacité est obtenue en superposant étroitement les composants électroniques et photoniques, comme deux couches, et en les reliant directement à la puce au moyen de «vias on-chip». Cette superposition des couches électroniques et photoniques raccourcit les trajets de transmission et réduit les pertes en termes de qualité du signal. Comme l'électronique et la photonique sont mises en œuvre sur un seul substrat, les chercheuses et chercheurs décrivent cette approche comme une «co-intégration monolithique».
Au cours des 20 dernières années, l'approche monolithique a échoué parce que les puces photoniques sont beaucoup plus grandes que les puces électroniques. Cela a empêché de les combiner sur une seule puce, explique Juerg Leuthold. La taille des éléments photoniques rend impossible leur combinaison avec la technologie métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) qui prévaut aujourd'hui dans l'électronique.
La plasmonique : une potion magique pour les puces à semi-conducteurs
«Nous avons maintenant surmonté la différence de taille entre la photonique et l'électronique en remplaçant la photonique par la plasmonique», explique Juerg Leuthold. Depuis dix ans, les scientifiques prédisent que la plasmonique, qui est une branche de la photonique, pourrait servir de base aux puces ultra-rapides. La plasmonique peut être utilisée pour comprimer les ondes lumineuses dans des structures qui sont beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière (voir ETH News, 18.11.2019).
Comme les puces plasmoniques sont plus petites que les puces électroniques, il est maintenant possible de fabriquer des puces monolithiques beaucoup plus compactes qui incorporent à la fois une couche photonique et une couche électronique. Afin de convertir les signaux électriques en signaux optiques encore plus rapides, la couche photonique (en rouge dans le graphique) contient un modulateur d'intensité plasmonique. Celui-ci est basé sur des structures métalliques qui canalisent la lumière afin d'atteindre des vitesses plus élevées.
Combiné pour une vitesse record
Ceci s'ajoute à une augmentation de la vitesse de la couche électronique (en bleu dans le graphique). Dans un processus connu sous le nom de «multiplexage 4:1», quatre signaux d'entrée à faible vitesse sont regroupés et amplifiés de manière à former, ensemble, un signal électrique à grande vitesse. «Celui-ci est ensuite converti en un signal optique à grande vitesse», explique Ueli Koch. «De cette façon, nous avons pu transmettre pour la première fois des données sur une puce monolithique à une vitesse de plus de 100 gigabits par seconde».
Pour atteindre cette vitesse record, les chercheuses et chercheurs ont combiné la plasmonique non seulement avec l'électronique CMOS classique, mais aussi avec la technologie BiCMOS, encore plus rapide. Ils et elles ont également utilisé un nouveau matériau électro-optique stable en température de l'Université de Washington ainsi que les connaissances acquises dans le cadre des projets PLASMOfab et plaCMOS d'Horizon 2020. Selon Juerg Leuthold, leur expérience a montré que ces technologies peuvent être combinées pour créer l'une des puces compactes les plus rapides : «Nous sommes convaincu·es que cette solution peut également ouvrir la voie à une transmission de données plus rapide dans les réseaux de communication optique du futur».