Une toute nouvelle puce pour la transmission ultra-rapide de données par la lumière

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).