Il y a quelques années, des chercheurs du laboratoire de Michal Lipson ont remarqué quelque chose de remarquable. Ils travaillaient sur un projet pour améliorer Lidar, une technologie qui utilise des ondes lumineuses pour mesurer la distance. Le laboratoire concevait des puces haute puissance qui pouvaient produire des faisceaux de lumière plus lumineux.
« Alors que nous envoyions de plus en plus de puissance à travers la puce, nous avons remarqué qu'il créait ce que nous appelons un peigne de fréquence », explique Andres Gil-Molina, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Lipson.
Un peigne de fréquence est un type de lumière spécial qui contient de nombreuses couleurs alignées les unes sur les autres dans un motif ordonné, un peu comme un arc-en-ciel. Des dizaines de couleurs – ou des fréquences de lumière – sont brillantes, tandis que les lacunes entre elles restent sombres.
Lorsque vous regardez un peigne de fréquence sur un spectrogramme, ces fréquences lumineuses apparaissent sous forme de pointes ou de dents sur un peigne. Cela offre la formidable opportunité d'envoyer simultanément des dizaines de flux de données. Parce que les différentes couleurs de la lumière ne s'interfèrent pas les unes avec les autres, chaque dent agit comme son propre canal.
Aujourd'hui, la création d'un peigne de fréquence puissant nécessite des lasers et des amplificateurs grands et coûteux. Dans leur nouvel article dans Photonique de la natureLipson, Eugene Higgins Professeur de génie électrique et professeur de physique appliquée, et ses collaborateurs montrent comment faire la même chose sur une seule puce.
« Les centres de données ont créé une énorme demande de sources de lumière puissantes et efficaces qui contiennent de nombreuses longueurs d'onde », explique Gil-Molina, qui est maintenant ingénieur principal chez Xscape Photonics.
« La technologie que nous avons développée prend un laser très puissant et le transforme en dizaines de canaux propres et haute puissance sur une puce.
« Cette recherche marque une autre étape importante dans notre mission pour faire progresser la photonique en silicium », a déclaré Lipson. « Alors que cette technologie devient de plus en plus centrale pour les infrastructures critiques et notre vie quotidienne, ce type de progrès est essentiel pour garantir que les centres de données sont aussi efficaces que possible. »
Nettoyer la lumière désordonnée
La percée a commencé par une question simple: quel est le laser le plus puissant que nous puissions mettre sur une puce?
L'équipe a choisi un type appelé diode laser multimode, qui est largement utilisé dans des applications telles que les dispositifs médicaux et les outils de coupe laser. Ces lasers peuvent produire d'énormes quantités de lumière, mais le faisceau est «désordonné», ce qui rend difficile à utiliser pour des applications précises.
Intégrer un tel laser dans une puce photonique en silicium, où les voies lumineuses ne sont que quelques microns – même des centaines de nanomètres – à large procédure, nécessitaient une ingénierie minutieuse.
« Nous avons utilisé quelque chose appelé un mécanisme de verrouillage pour purifier cette source de lumière puissante mais très bruyante », explique Gil-Molina.
La méthode repose sur la photonique de silicium pour remodeler et nettoyer la sortie du laser, produisant un faisceau beaucoup plus propre et plus stable, un propriété des scientifiques appelle une cohérence élevée.
Une fois la lumière purifiée, les propriétés optiques non linéaires de la puce prennent le relais, divisant ce faisceau puissant unique en dizaines de couleurs uniformément espacées, une caractéristique déterminante d'un peigne de fréquence.
Le résultat est une source de lumière compacte et à haute efficacité qui combine la puissance brute d'un laser industriel avec la précision et la stabilité nécessaires aux communications et à la détection avancées.
Pourquoi ça compte maintenant
Le moment de cette percée n'est pas un accident. Avec la croissance explosive de l'intelligence artificielle, l'infrastructure à l'intérieur des centres de données s'efforce de déplacer les informations assez rapidement, par exemple, entre les processeurs et la mémoire. Les centres de données de pointe utilisent déjà des liaisons à fibre optique pour transporter les données, mais la plupart d'entre elles reposent toujours sur des lasers à longueur d'onde unique.
Les peignes de fréquence changent cela. Au lieu d'un faisceau transportant un flux de données, des dizaines de poutres peuvent fonctionner en parallèle à travers la même fibre. C'est le principe derrière le multiplexage de la division de longueur d'onde (WDM), la technologie qui a transformé Internet en un réseau mondial à haut débit à la fin des années 1990.
En rendant les peignes de grandeur à haute puissance et multi-ondes suffisamment petits pour s'adapter directement à une puce, l'équipe de Lipson a permis d'amener cette capacité dans les parties les plus compactes et sensibles aux coûts des systèmes informatiques modernes.
Au-delà des centres de données, les mêmes puces peuvent permettre des spectromètres portables, des horloges optiques ultra-précises, des dispositifs quantiques compacts et même des systèmes LiDAR avancés.
« Il s'agit d'apporter des sources lumineuses de qualité en laboratoire dans des appareils réels », explique Gil-Molina. « Si vous pouvez les rendre puissants, efficaces et assez petits, vous pouvez les mettre presque n'importe où. »
