{"id":6730,"date":"2017-11-01T18:12:19","date_gmt":"2017-11-01T17:12:19","guid":{"rendered":"https:\/\/largeur.com\/?p=6730"},"modified":"2017-11-01T18:15:45","modified_gmt":"2017-11-01T17:15:45","slug":"innovation-25","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/largeur.com\/?p=6730","title":{"rendered":"La photonique sur silicium, une r\u00e9volution"},"content":{"rendered":"

Des supercalculateurs les plus rapides au monde aux ordinateurs personnels ou aux t\u00e9l\u00e9phones portables, presque tous les appareils modernes transmettent leurs donn\u00e9es via le mouvement d\u2019\u00e9lectrons dans les fils \u00e9lectriques, \u00e0 l\u2019instar des t\u00e9l\u00e9graphes du XIXe<\/sup> si\u00e8cle. Depuis des dizaines d\u2019ann\u00e9es, les fils de cuivre, fiables et \u00e9conomiques, relient des transistors et circuits imprim\u00e9s toujours plus nombreux, sur des puces toujours plus compactes. Mais lorsque la miniaturisation des puces aura atteint ses limites physiques, les fils de cuivre ne feront plus l\u2019affaire: bande passante restreinte, fuites \u00e9lectriques et diaphonie entre fils adjacents freinent l\u2019innovation informatique. De plus, ils prennent de la place, consomment de l\u2019\u00e9nergie et d\u00e9gagent de la chaleur.<\/p>\n

Les technologies photoniques de pointe comme la fibre optique constituent une solution. En utilisant les photons plut\u00f4t que les \u00e9lectrons, elles offrent une transmission \u00e0 la vitesse de la lumi\u00e8re et une bande passante bien plus \u00e9lev\u00e9e. Malheureusement, elles sont difficiles \u00e0 commercialiser, car les substituer aux fils \u00e9lectriques dans les circuits int\u00e9gr\u00e9s est extr\u00eamement co\u00fbteux. Il s\u2019agit donc de trouver une technologie photonique que l\u2019on puisse mettre en \u0153uvre avec des m\u00e9thodes de production de masse existantes et \u00e9conomiques.<\/p>\n

C\u2019est l\u00e0 qu\u2019entre en jeu la photonique sur silicium. Elle consiste \u00e0 fabriquer des puces de mani\u00e8re classique, mais \u00e0 les doter d\u2019un circuit en silicium pour \u00e9mettre, guider et recevoir des signaux lasers porteurs de donn\u00e9es pr\u00e9cis\u00e9ment align\u00e9s. Capable de transmettre plus de donn\u00e9es en consommant moins d\u2019\u00e9nergie, sans d\u00e9gager de chaleur ni d\u00e9grader les signaux, elle r\u00e9volutionnera bient\u00f4t de nombreuses technologies, notamment l\u2019interconnexion de donn\u00e9es, les supercalculateurs et les capteurs pour diagnostiquer des maladies, la surveillance de l\u2019environnement ou la d\u00e9tection d\u2019explosifs.<\/p>\n

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Une solution imparfaite<\/strong><\/p>\n

Si la photonique sur silicium semble id\u00e9ale, les scientifiques se heurtent depuis plus de trente ans aux inconv\u00e9nients du mat\u00e9riau pour \u00e9mettre, guider et recevoir des signaux lumineux. Le silicium est opaque dans le spectre visible, mais transparent aux longueurs d\u2019onde de l\u2019infrarouge utilis\u00e9es pour la transmission optique, si bien qu\u2019il guide correctement la lumi\u00e8re. En revanche, il \u00e9choue \u00e0 l\u2019\u00e9mettre. Lars Frandsen, expert en photonique sur silicium \u00e0 la Danmarks Tekniske Universitet (DTU), explique:\u00a0 \u00abLa largeur de bande interdite du silicium le rend transparent aux longueurs d\u2019onde utilis\u00e9es dans les t\u00e9l\u00e9communications. Mais elle est indirecte, ce qui fait du mat\u00e9riau un mauvais \u00e9metteur de lumi\u00e8re.\u00bb C\u2019est pourquoi les lasers des communications optiques sont faits de mat\u00e9riaux plus originaux comme le phosphure d\u2019indium (InP) et l\u2019ars\u00e9niure de gallium (GaAs).<\/p>\n

Autre faiblesse du silicium: m\u00eame s\u2019il parvient \u00e0 \u00e9mettre un signal lumineux, il peut difficilement \u00eatre associ\u00e9 \u00e0 d\u2019autres signaux \u00e0 des fins informatiques. \u00abLorsque la puissance de pompe est \u00e9lev\u00e9e, le silicium conna\u00eet d\u2019importantes pertes de signal, car les guides d\u2019onde en silicium contiennent de nombreux photons\u00bb, ajoute le chercheur.<\/p>\n

La photonique sur silicium aujourd\u2019hui<\/strong><\/p>\n

Malgr\u00e9 ses failles, des appareils utilisant cette technologie apparaissent sur ce march\u00e9. En 2008, la soci\u00e9t\u00e9 californienne Luxtera a commercialis\u00e9 avant ses concurrents ses premi\u00e8res solutions d\u2019interconnexion optique. Il s\u2019agit de petites puces en silicium qui remplacent certaines connexions en cuivre. Elles comprennent des lasers en InP et des guides d\u2019onde en silicium int\u00e9gr\u00e9s pouvant transporter jusqu\u2019\u00e0 100 Gb\u00a0 de donn\u00e9es par seconde d\u2019un ordinateur \u00e0 l\u2019autre, via des fibres optiques de quelques millim\u00e8tres d\u2019\u00e9paisseur.\u00a0 \u00abLes centres de donn\u00e9es s\u2019efforcent\u00a0 de fournir une bande passante r\u00e9seau\u00a0 \u00e0 la hauteur de la demande mondiale consid\u00e9rable en donn\u00e9es, indique Ron Horan, vice-pr\u00e9sident Marketing chez Luxtera. Luxtera a d\u00e9j\u00e0 vendu plus d\u2019un million de transcepteurs optiques, dont beaucoup de solutions \u00e0 100 Gb\/s.\u00bb\u00a0 En 2016, Intel a commercialis\u00e9 des solutions de photonique sur silicium\u00a0 pour les interconnexions optiques de commutateur \u00e0 commutateur. IBM,\u00a0 Cisco et d\u2019autres acteurs travaillant\u00a0 sur des technologies similaires, il est probable que l\u2019interconnexion optique sera la premi\u00e8re technologie de photonique sur silicium \u00e0 s\u2019imposer.<\/p>\n

Et ce n\u2019est l\u00e0 qu\u2019un d\u00e9but. On s\u2019attend \u00e0 ce que cette technologie soit de plus en plus pr\u00e9sente en informatique et permette aux supercalculateurs d\u2019atteindre une vitesse exascale (1018<\/sup> calculs par seconde), \u00e0 peu pr\u00e8s la puissance de traitement du cerveau humain au niveau neural. Le 24 d\u00e9cembre 2015, des chercheurs am\u00e9ricains pr\u00e9sentaient au monde, dans la revue Nature<\/em>, le premier processeur hybride photonique-\u00e9lectronique \u00e0 utiliser la lumi\u00e8re pour \u00e9tablir des communications ultrarapides. Avec ses deux c\u0153urs de processeur (plus de 70 millions de transistors) et ses 850 composants photoniques, cette puce de 3×6 mm \u00e9tait le premier composant dot\u00e9 de l\u2019interconnexion photonique (entr\u00e9es\/sorties) n\u00e9cessaire pour \u00e9changer avec d\u2019autres puces. Elle offrait une bande passante \u00e9tonnamment dense: 300 Gb\/s par mm2<\/sup>, soit 10 \u00e0 50 fois plus que les microprocesseurs 100% \u00e9lectroniques.<\/p>\n

Une seule ombre au tableau: la puce recevait de la lumi\u00e8re d\u2019un laser externe. Aujourd\u2019hui encore, le d\u00e9fi consiste \u00e0 d\u00e9velopper et int\u00e9grer des lasers sur les puces. Attacher les sources de lumi\u00e8re au silicium a toujours \u00e9t\u00e9 difficile, mais les physiciens Gregor Koblm\u00fcller et Jonathan Finley de la Technische Universit\u00e4t M\u00fcnchen ont r\u00e9cemment trouv\u00e9 comment d\u00e9poser des nanolasers sur les puces. Ils ont fait s\u2019\u00e9vaporer une fine couche d\u2019oxyde de silicium sur la cellule et l\u2019ont perc\u00e9e de petits trous, dans lesquels ils ont install\u00e9 des nanofils de GaAs autonomes. R\u00e9sultat: des lasers \u00e0 nanofils 1000 fois plus fins qu\u2019un cheveu humain. \u00abNotre approche est novatrice et donne de bons r\u00e9sultats\u00a0 en termes d\u2019int\u00e9gration pr\u00e9cise de nanolasers sur une plateforme en silicium\u00bb,\u00a0 se r\u00e9jouit Gregor Koblm\u00fcller.<\/p>\n

Photonique et sant\u00e9<\/strong><\/p>\n

Le secteur de la sant\u00e9 b\u00e9n\u00e9ficiera lui aussi de cette technologie. Le projet europ\u00e9en CARDIS (Early stage CARdio Vascular Disease Detection with Integrated Silicon Photonics) cherche \u00e0 l\u2019utiliser pour identifier les individus pr\u00e9sentant un risque de maladies cardiovasculaires, en d\u00e9veloppant un appareil portatif abordable, similaire\u00a0 \u00e0 un scanner de supermarch\u00e9 et permettant d\u2019analyser les signaux vitaux du c\u0153ur en un clic. Il consiste en un vibrom\u00e8tre laser dot\u00e9 d\u2019un syst\u00e8me de photonique sur silicium multifaisceaux, un instrument mesurant sans contact les vibrations d\u2019une surface, pour cibler et analyser les art\u00e8res superficielles. \u00abUne puce \u00e9lectronique ne peut pas d\u00e9tecter sans contact les mouvements de la peau \u00e0 l\u2019\u00e9chelle nanom\u00e9trique, explique Roel Baets de l\u2019Universit\u00e9 de Gand, coordinateur du projet. En revanche, une puce photonique sur silicium a toutes les fonctionnalit\u00e9s\u00a0 d\u2019un vibrom\u00e8tre laser \u00e0 effet Doppler.\u00bb<\/p>\n

Le coordinateur entrevoit d\u2019autres applications possibles dans la sant\u00e9: \u00abOn pourrait l\u2019utiliser pour d\u00e9pister le diab\u00e8te et suivre facilement le niveau de glucose chez les patients, ou encore pour d\u00e9tecter des ions dans la sueur ou le souffle et \u00e9tablir un diagnostic.\u00bb Avec l\u2019int\u00e9gration de capteurs photoniques dans des puces en silicium, d\u2019autres appareils pourraient \u00eatre d\u00e9velopp\u00e9s, comme les capteurs Lidar des v\u00e9hicules autonomes et les capteurs chimiques servant au suivi environnemental. \u00abL\u2019Internet des objets n\u00e9cessitera l\u2019installation de milliards de capteurs dans notre soci\u00e9t\u00e9, d\u00e9clare Lars Frandsen, ce \u00e0 quoi devrait exceller la photonique sur silicium.\u00bb<\/p>\n

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Une version de cet article est parue dans le magazine Technologist (no 14).<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Adieu les fils de cuivre, place \u00e0 une nouvelle technologie promesse d\u2019efficacit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique, d\u2019informatique ultrarapide et d\u2019innovations m\u00e9dicales. <\/p>\n","protected":false},"author":20197,"featured_media":6731,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[7],"tags":[],"class_list":["post-6730","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-technophile","technophile"],"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/6730","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/20197"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=6730"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/6730\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":6732,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/6730\/revisions\/6732"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/6731"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=6730"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=6730"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/largeur.com\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=6730"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}