Chaque seconde, des téraoctets de données – l’équivalent du téléchargement simultané de milliers et de milliers de films – voyagent à travers le monde comme de la lumière dans des câbles à fibres optiques, comme autant de voitures entassées sur une autoroute ultra-rapide. Lorsque ces informations parviennent aux centres de données, elles ont besoin d’un système de commutation, tout comme les voitures ont besoin de feux de circulation, pour quitter l’autoroute de manière ordonnée.
Jusqu’à présent, les commutateurs photoniques utilisés pour acheminer les signaux optiques étaient gênés par un compromis fondamental entre taille et vitesse : des commutateurs plus grands peuvent gérer des vitesses plus élevées et plus de données, mais consomment également plus d’énergie, occupent plus d’espace physique et font grimper les coûts.
Accélérer l’autoroute de l’information
Dans un nouvel article en Photonique naturelledes chercheurs de l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Pennsylvanie (Penn Engineering) décrivent la création d’un nouveau commutateur photonique qui surmonte ce compromis taille-vitesse. Et avec seulement 85 x 85 micromètres, les unités du nouveau commutateur sont plus petites qu’un grain de sel.
En manipulant la lumière à l’échelle nanométrique avec une efficacité sans précédent, le nouveau commutateur accélère le processus de transmission et de transmission des données sur l’autoroute de l’information constituée de câbles à fibres optiques qui entourent le globe. “Cela a le potentiel d’accélérer tout, du streaming de films à la formation de l’IA”, déclare Liang Feng, professeur en science et ingénierie des matériaux (MSE) et en génie électrique et des systèmes (ESE) et auteur principal de l’article.
La mécanique quantique rencontre l’optique
Le nouveau commutateur s’appuie sur la physique non hermitienne, une branche de la mécanique quantique qui explore le comportement inhabituel de certains systèmes, donnant ainsi aux chercheurs plus de contrôle sur le comportement de la lumière. “Nous pouvons régler le gain et la perte du matériau pour guider le signal optique vers la bonne sortie de l’autoroute de l’information”, explique Xilin Feng, doctorant en ESE et premier auteur de l’article. En d’autres termes, la physique unique en jeu permet aux chercheurs de maîtriser le flux de lumière sur la minuscule puce, permettant ainsi un contrôle précis de la connectivité de tout réseau basé sur la lumière.
Le résultat est que le nouveau commutateur peut rediriger les signaux en plusieurs milliards de secondes avec une consommation d’énergie minimale. “C’est environ un milliard de fois plus rapide qu’un clin d’œil”, explique Shuang Wu, doctorant en MSE et co-auteur de l’article. “Les commutateurs précédents étaient soit petits, soit rapides, mais il est très, très difficile d’obtenir ces deux propriétés simultanément.”
Utiliser le silicium pour l’évolutivité
Le nouveau commutateur se distingue également par sa fabrication en partie en silicium, un matériau standard peu coûteux et largement disponible dans l’industrie. “La commutation non hermitienne n’a jamais été démontrée auparavant sur une plate-forme photonique sur silicium”, explique Wu. En théorie, l’incorporation de silicium dans le commutateur facilitera la mise à l’échelle du dispositif pour une production de masse et une large adoption dans l’industrie. Le silicium est un composant clé dans la plupart des technologies, des ordinateurs aux smartphones ; la construction de l’appareil à l’aide de silicium le rend entièrement compatible avec les fonderies photoniques de silicium existantes, qui fabriquent des puces avancées pour des appareils tels que les unités de traitement graphique (GPU).
Du concept au prototype
Au-dessus de la couche de silicium, le commutateur est constitué d’un type particulier de semi-conducteur, constitué de phosphure d’arséniure d’indium et de gallium (InGaAsP), un matériau particulièrement efficace pour manipuler les longueurs d’onde infrarouges de la lumière, telles que celles généralement transmises dans les câbles optiques sous-marins.
L’assemblage des deux couches s’est avéré difficile et a nécessité de nombreuses tentatives pour construire un prototype fonctionnel. “C’est comme faire un sandwich”, explique Xilin Feng, faisant référence à l’ajout de couches les unes aux autres. Seulement, dans ce cas, si l’une de ces couches était mal alignée, ne serait-ce qu’un tout petit peu, le sandwich serait totalement immangeable. “L’alignement nécessite une précision nanométrique”, note Wu.
Transformer les centres de données
En fin de compte, affirment les chercheurs, le nouveau commutateur profitera non seulement aux physiciens universitaires, qui peuvent désormais explorer davantage la physique non-hermitienne dont dépend le commutateur, mais aussi aux entreprises qui entretiennent et construisent des centres de données, ainsi qu’aux milliards d’utilisateurs qui en dépendent. . “Les données ne peuvent aller aussi vite que nous pouvons les contrôler”, explique Liang Feng. “Et dans nos expériences, nous avons montré que la limite de vitesse de notre système n’est que de 100 picosecondes.”
Cette étude a été menée à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Pennsylvanie et soutenue par l’Army Research Office (ARO) (W911NF-21-1-0148 et W911NF-22-1-0140), l’Office of Naval Research (ONR). ) (N00014-23-1-2882) et la National Science Foundation (NSF) (ECCS-2023780, DMR-2326698, DMR-2326699 et DMR-2117775).
Les autres co-auteurs incluent Tianwei Wu, Zihe Gao, Haoqi Zhao et Yichi Zhang de Penn Engineering et Li Ge de la City University de New York.
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