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Bientôt des ordinateurs optiques ?

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Les photons sont des particules élémentaires de la lumière. Ils sont capables de transmettre plus de données tout en consommant beaucoup moins d'énergie que les électrons utilisés dans les ordinateurs classiques. Jusqu'à présent, la commercialisation d'ordinateurs optiques, ou photoniques, se heurtait à des difficultés d'industrialisation. Une équipe de chercheurs américains a cependant annoncé avoir mis au point un algorithme qui pourrait permettre de les surmonter.

Une fibre optique est un fil de verre ou de plastique, transparent à la lumière visible qu'il peut donc conduire pour transmettre des données. La fibre optique permet un débit d'information bien supérieur à celui des câbles classiques et elle est aujourd'hui largement utilisée sur le réseau Internet. Les ordinateurs optiques pourraient fonctionner sur le même principe. © Groman123, Flickr, CC by-sa 2.0

Pour traiter et transférer de l'information et des données, les ordinateurs classiques exploitent les propriétés des électrons. Le procédé est aujourd'hui bien maîtrisé. Mais il manque d'efficacité. Le transport des données peut en effet représenter jusqu'à 80 % de la puissance consommée par un microprocesseur ! Une part importante de l'énergie ainsi consommée est dissipée sous forme de chaleur. Utiliser la lumière, donc des photons, pour transférer les données pourrait permettre de résoudre ce problème tout en accélérant la vitesse de traitement des informations.

Les chercheurs de Stanford ont voulu miniaturiser la technologie largement éprouvée d'Internet. L'idée n'est pas nouvelle mais la mise en œuvre de cette miniaturisation s'avère véritablement innovante. Les chercheurs américains ont en effet mis au point une méthode qui permet de concevoir simplement et à l'échelle industrielle des dispositifs optiques plus petits que les systèmes électroniques classiques et présentant des fonctionnalités inédites ainsi que des performances et une robustesse accrues.

Rappelons qu'avec Internet, des données sont transmises grâce à des photons qui circulent au cœur de fibres optiques. En théorie, la technologie est transposable à ce qui se passe au cœur même des ordinateurs. Le silicium est transparent à la lumière infrarouge et les fils classiques pourraient donc être remplacés par des interconnexions optiques : des structures de silicium destinés à transporter de la lumière infrarouge. Mais, dans la pratique, les ingénieurs étaient jusqu'à aujourd'hui contraints de concevoir ces interconnexions optiques les unes après les autres. Étant donné qu'il existe des milliers d'interconnexions dans chaque système électronique, on peut imaginer la difficulté que représente l'industrialisation de telles structures optiques.

Agrandissement d’un prototype de démultiplexeur optique dont la taille réelle ne dépasse pas celle d’un grain de poussière. La lumière infrarouge pénètre la structure de silicium par la gauche. Les motifs déterminés par un algorithme séparent deux fréquences différentes qui sont orientées vers deux sorties différentes sur la droite. © Alexander Piggott

Un algorithme pour diriger la lumière infrarouge

La solution proposée par les scientifiques de Stanford repose sur ce qu'ils appellent un algorithme de conception inversée. Il suffit de préciser à leur logiciel la tâche que l'on souhaite assigner au circuit optique que l'on veut construire et celui-ci fournit les détails de fabrication de la structure de silicium support. Car au cœur du silicium, la lumière infrarouge peut être déviée et dirigée, à l'image de ce qui se passe pour la lumière visible au cœur du verre. Les structures conçues à l'aide de l'algorithme mis au point par les ingénieurs américains permettent donc de diriger une fréquence spécifique de lumière infrarouge vers un endroit spécifique, remplaçant ainsi le câblage classique lorsque des données sont associées à ces longueurs d’onde.

Une fois que l'algorithme a déterminé le design approprié pour la réalisation d'une tâche particulière, il devient facile d'appliquer le motif à des tranches de silicium à l'aide de procédés industriels standard. L'équipe de Stanford annonce avoir conçu ainsi un prototype de démultiplexeur tout à fait fonctionnel. Malgré quelques petites imperfections, celui-ci affiche une perte d'insertion (différence de puissance entre l'émetteur et le récepteur) de 2 dB seulement, une diaphonie (interférences entre signaux) inférieure à -11 dB et des bandes passantes supérieures à 100 nm. Ces dimensions, 2,8 x 2,8 μm, en font, par ailleurs, le plus petit séparateur de longueurs d'onde diélectrique. « Si nous avons pu, avec nos modestes moyens, obtenir un tel résultat, nous ne doutons pas qu'il soit possible de passer rapidement à la phase d'industrialisation », assure Alexander Piggott, auteur principal de l'étude parue dans le magazine Nature Photonics.

En son temps, l'automatisation de la conception des circuits a permis de populariser et de sophistiquer l'électronique. Aujourd'hui, l'automatisation du processus de conception d'interconnexions optiques pourrait mener à la commercialisation d'ordinateurs plus rapides et plus économes en énergie. Les ingénieurs de Stanford assurent que leur algorithme de conception inversée pourrait également être appliqué aux communications optiques à large bande passante, aux systèmes de microscopie compacts et aux communications quantiques ultra-sécurisées.

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