Une toute nouvelle puce pour la transmission ultra-rapide de données par la lumière
Des chercheurs de l'ETH ont construit une puce ultra-rapide capable d'accélérer la transmission de données dans les réseaux de fibres optiques. C'est important au vu de la demande croissante de services en ligne et de streaming. La puce plasmonique combine plusieurs innovations.
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi ce qui fait l'objet de recherches depuis une vingtaine d'années : dans le cadre de projets de recherche européens Horizon 2020, ils ont fabriqué en laboratoire une puce sur laquelle des signaux électroniques rapides peuvent être directement convertis en signaux lumineux ultrarapides, et ce de manière à ne perdre pratiquement aucune qualité de signal. Cette percée est importante pour la performance des infrastructures de communication optiques qui transmettent des données par la lumière. Il s'agit par exemple des réseaux de fibres optiques.
Aujourd'hui déjà, dans des villes comme Zurich, de tels réseaux de fibres optiques permettent d'accéder rapidement à Internet, de téléphoner numériquement, de regarder la télévision et de bénéficier de services cinématographiques ou audio basés sur le réseau (ce qu'on appelle le streaming). D'ici la fin de la décennie, ces réseaux de communication optique pourraient toutefois atteindre leurs limites en matière de transmission rapide de données.
Cette évolution s'explique par la demande croissante de services en ligne pour le streaming, le stockage et le calcul, ainsi que par l'émergence de l'intelligence artificielle et des réseaux 5G. Aujourd'hui, les réseaux optiques atteignent des taux de transfert de données de l'ordre du gigabit (109) par seconde. La limite est de 100 gigabits par ligne et par longueur d'onde. En revanche, à l'avenir, les débits seront de l'ordre du térabit (1012) est nécessaire.
Nouveau : électronique et lumière sur la même puce
"Pour répondre à la demande croissante, nous avons besoin de nouvelles approches de solutions", explique Jürg Leuthold, professeur de photonique et de communication à l'ETH. "La clé de ce changement de paradigme réside dans la réunion de composants électroniques et photoniques sur une seule puce". La photonique ("enseignement des particules de lumière") étudie les technologies optiques pour la transmission, le stockage et le traitement de l'information.
C'est précisément ce rapprochement que les chercheurs de l'ETH ont réussi à faire : en collaboration avec des partenaires d'Allemagne, des Etats-Unis, d'Isra?l et de Grèce, ils ont pu, dans le cadre d'une expérience, assembler pour la première fois les composants électroniques et les composants basés sur la lumière sur une seule et même puce. Du point de vue technique, ce pas est important, car jusqu'à présent, il fallait fabriquer ces composants séparément sur des puces distinctes et les relier ensuite par des fils.
Cela a des conséquences : D'une part, il est co?teux de fabriquer séparément les puces électroniques et photoniques. D'autre part, cela diminue les performances lors de la conversion des signaux électroniques en signaux lumineux et limite ainsi la vitesse de transmission dans les réseaux de communication à fibres optiques, explique Ueli Koch, post-doctorant dans le groupe de Leuthold et auteur principal de l'étude parue dans la revue Nature Electronics.
La compacité au service de la vitesse maximale
"Si l'on convertit les signaux électroniques en signaux lumineux via des puces séparées, on perd nettement en qualité de signal. Cela limite également la vitesse de transmission des données par la lumière", explique Koch. Sa solution commence donc par le modulateur. Celui-ci se trouve sur la puce et produit de la lumière d'une certaine intensité en convertissant les signaux électriques en ondes lumineuses. Pour éviter ce faisant les pertes de qualité et d'intensité, et pour transmettre la lumière, ou plut?t les données, plus rapidement qu'aujourd'hui, le modulateur doit être construit de manière aussi compacte que possible (voir Actualités ETH, 01.02.2016).
Cette compacité est obtenue en superposant étroitement les composants électroniques et photoniques comme deux couches et en les reliant directement sur la puce (en anglais "on-chip vias"). La stratification de l'électronique et de la photonique réduit les voies de transmission et les pertes de qualité du signal. Comme l'électronique et la photonique sont réalisées sur un seul substrat, les chercheurs parlent de "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 le regroupement sur une seule puce, explique Jürg Leuthold. La taille des composants photoniques rend impossible leur assemblage avec la technologie métal-oxyde-semiconducteur (CMOS) qui prédomine aujourd'hui dans l'électronique.
La plasmonique, un outil magique pour les puces semi-conductrices
"Nous avons désormais surmonté la différence de taille entre la photonique et l'électronique en rempla?ant la photonique par la plasmonique", explique Leuthold. La plasmonique est une branche de la photonique. Depuis dix ans, on prédit à cette technologie qu'elle pourrait devenir la base de puces ultra-rapides. La plasmonique permet de forcer les ondes lumineuses dans des structures beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière (voir Actualités ETH, 18.11.2019)..
Comme les puces plasmoniques sont plus petites que les puces électroniques, il est effectivement possible de fabriquer maintenant des puces monolithiques beaucoup plus compactes, qui comprennent à la fois une couche photonique et une couche électronique. Pour convertir les signaux électriques en signaux optiques encore plus rapides, la couche photonique (en rouge sur le graphique) contient un modulateur d'intensité plasmonique. Celui-ci repose sur des structures métalliques qui canalisent la lumière de telle sorte qu'il est possible d'atteindre des vitesses plus élevées.
La combinaison permet une vitesse record
Dans la couche électronique (en bleu sur le graphique), la vitesse est encore augmentée. Gr?ce à un "multiplexage 4:1", quatre signaux d'entrée à vitesse réduite sont regroupés et amplifiés de telle sorte qu'ils forment ensemble un signal électrique à grande vitesse. "Celui-ci est ensuite converti en un signal optique à haut débit", explique Koch, "de cette manière, nous avons pu pour la première fois transmettre des données à plus de 100 gigabits par seconde sur une puce monolithique".
Pour atteindre cette vitesse record, les chercheurs ont combiné la plasmonique non seulement avec l'électronique CMOS classique, mais aussi avec la technologie BiCMOS, encore plus rapide. Ils ont en outre utilisé un nouveau matériau électro-optique stable en température de l'Université de Washington ainsi que les connaissances acquises dans le cadre des projets Horizon 2020 PLASMOfab et PlaCMOS.
L'expérience a permis de montrer, explique Leuthold, qu'il était possible d'assembler ces technologies en une des puces compactes les plus rapides : "Nous sommes convaincus que cette solution permettra à l'avenir une transmission plus rapide des données dans les réseaux de communication optiques".
Références bibliographiques
Koch, U., Uhl, C., Hettrich, H. et al. A monolithic bipolar CMOS electronic-plasmonic high-speed transmitter. Nature Electronics 3, 338-345 (2020). DOI : page externe10.1038/s41928-020-0417-9
Koch, U. Un transmetteur monolithique bipolaire CMOS électronique plasmonique à grande vitesse. Nature Research Device & Materials Engineering, Behind the Paper. page externedevicematerialscommunity.nature.com/users/407225-ueli-koch/posts/a-monolithic-bipolar-cmos-electronic-plasmonic-high-speed-transmitter
Moazeni, S. CMOS et plasmonique se rapprochent. Nature Electronics 3, 302-303 (2020). DOI : page externe10.1038/s41928-020-0426-8
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