L'avenir numérique pourrait reposer sur des commutateurs optiques un million de fois plus rapides que les transistors actuels

Si vous avez déjà souhaité disposer d'un téléphone, d'un ordinateur ou d'une connexion Internet plus rapide, vous avez fait l'expérience personnelle de franchir les limites de la technologie. Mais il pourrait y avoir de l'aide en route.

Au cours des dernières décennies, des scientifiques et des ingénieurs comme moi ont travaillé au développement de transistors plus rapides, les composants électroniques qui sous-tendent les technologies modernes de communication électronique et numérique. Ces efforts se sont appuyés sur une catégorie de matériaux appelés semi-conducteurs qui possèdent des propriétés électriques particulières. Le silicium est peut-être l’exemple le plus connu de ce type de matériau.

Mais il y a environ dix ans, les efforts scientifiques ont atteint la limite de vitesse des transistors à base de semi-conducteurs. Les chercheurs ne peuvent tout simplement pas accélérer le déplacement des électrons à travers ces matériaux. Les ingénieurs tentent notamment de résoudre les limites de vitesse inhérentes au déplacement d'un courant à travers le silicium en concevant des circuits physiques plus courts, ce qui donne essentiellement aux électrons moins de distance à parcourir. Augmenter la puissance de calcul d’une puce revient à augmenter le nombre de transistors. Cependant, même si les chercheurs parviennent à rendre les transistors très petits, ils ne seront pas assez rapides pour répondre aux vitesses de traitement et de transfert de données plus rapides dont les particuliers et les entreprises auront besoin.

Les travaux de mon groupe de recherche visent à développer des moyens plus rapides de déplacer des données, en utilisant des impulsions laser ultrarapides dans l'espace libre et la fibre optique. La lumière laser traverse la fibre optique presque sans perte et avec un très faible niveau de bruit.

Dans notre étude la plus récente, publiée en février 2023 dans Science Advances, nous avons fait un pas dans cette direction, en démontrant qu'il est possible d'utiliser des systèmes laser équipés de transistors optiques, qui dépendent des photons plutôt que de la tension pour déplacer les électrons et les transférer. informations beaucoup plus rapidement que les systèmes actuels et le font plus efficacement que les commutateurs optiques précédemment signalés.

À leur niveau le plus fondamental, les transmissions numériques impliquent l’activation et la désactivation d’un signal pour représenter les uns et les zéros. Les transistors électroniques utilisent la tension pour envoyer ce signal : lorsque la tension incite les électrons à circuler à travers le système, ils signalent un 1 ; lorsqu'aucun électron ne circule, cela signale un 0. Cela nécessite une source pour émettre les électrons et un récepteur pour les détecter.

Notre système de transmission optique ultrarapide de données est basé sur la lumière plutôt que sur la tension. Notre groupe de recherche est l’un des nombreux groupes travaillant sur la communication optique au niveau des transistors – les éléments constitutifs des processeurs modernes – pour contourner les limites actuelles du silicium.

Notre système contrôle la lumière réfléchie pour transmettre des informations. Lorsque la lumière brille sur un morceau de verre, la majeure partie la traverse, même si une petite partie peut s'y refléter. C'est ce que vous ressentez sous forme d'éblouissement lorsque vous conduisez vers la lumière du soleil ou lorsque vous regardez à travers une fenêtre.

Nous utilisons deux faisceaux laser transmis depuis deux sources traversant le même morceau de verre. Un faisceau est constant, mais sa transmission à travers le verre est contrôlée par le deuxième faisceau. En utilisant le deuxième faisceau pour faire passer les propriétés du verre de transparent à réfléchissant, nous pouvons démarrer et arrêter la transmission du faisceau constant, commutant le signal optique de l'état allumé à l'arrêt et inversement très rapidement.

Avec cette méthode, nous pouvons modifier les propriétés du verre beaucoup plus rapidement que les systèmes actuels ne peuvent envoyer d’électrons. Nous pouvons ainsi envoyer beaucoup plus de signaux d'activation et de désactivation (des zéros et des uns) en moins de temps.

Notre étude a franchi la première étape en transmettant les données 1 million de fois plus rapidement que si nous avions utilisé l’électronique classique. Avec les électrons, la vitesse maximale de transmission des données est d’une nanoseconde, soit un milliardième de seconde, ce qui est très rapide. Mais le commutateur optique que nous avons construit était capable de transmettre des données un million de fois plus rapidement, ce qui n'a pris que quelques centaines d'attosecondes.

Nous avons également pu transmettre ces signaux en toute sécurité afin qu'un attaquant qui tentait d'intercepter ou de modifier les messages échoue ou soit détecté.

L’utilisation d’un faisceau laser pour transmettre un signal et le réglage de son intensité à l’aide d’un verre contrôlé par un autre faisceau laser permettent à l’information de voyager non seulement plus rapidement, mais également sur des distances beaucoup plus grandes.