La lumière : fabuleux outil de communication

Marie-Léonor Touraton, Université Grenoble Alpes

La transmission d’informations a toujours été nécessaire aux humains. Les supports ont changé : historiquement, les signaux visuels étaient les plus répandus, la fumée par exemple. Puis, sont venus les supports écrits comme le courrier papier. Enfin, les signaux numériques sont apparus grâce à l’électricité avec l’envoi du premier télégramme en 1844 grâce au code morse via des fils de cuivre.

Suite à de multiples avancées technologiques, les moyens de télécommunications ont évolué, le téléphone puis la radio et la télévision sont apparus pour arriver enfin à Internet. Cette progression a permis l’essor de la communication grâce à la lumière.

L’explosion du transfert d’information

Le développement d’Internet ainsi que des technologies de communication, ordinateur, téléphone et autres objets connectés qui apparaissent constamment sur le marché ont fait exploser le volume numérique de données circulant.

Cette évolution est tellement importante que Cisco, entreprise leader mondial des technologies de l’information et des réseaux, prédit qu’en 2021 le transport total d’informations sera 3 fois plus important qu’en 2016. Ce qui représentera par exemple pour la France en 2021, l’équivalent de tous les films jamais réalisés traversant chaque heure son réseau IP.

Comment est-il possible de faire face à des débits d’information toujours plus rapides dus à la quantité croissante d’informations échangées ? En utilisant la lumière. Les photons qui la composent ont une vitesse 100 fois plus importante en moyenne que celle des électrons composant le signal électrique.

Afin de continuer la transition des télécommunications vers la lumière et tout comme la transition de l’ADSL vers la fibre optique se déroule dans nos foyers, les chercheurs tentent désormais de descendre à l’échelle des puces.

L’utilisation des photons circulant dans les fibres optiques a permis la transition des câbles coaxiaux pour les communications longues distances jusqu’aux communications locales. Cependant, il reste une dernière échelle de distance de communication qui sont les liaisons datacom. Ces dernières concernent les interconnexions entre les puces ou circuits intégrés composant les processeurs, que l’on retrouve par exemple dans un serveur de calcul. Or les échanges de données de ce type représenteront à elles seules 80 % du trafic global des informations échangées lors d’une requête Internet d’ici à l’année 2021.

La lumière et les puces, un couple en devenir

Afin de pouvoir transporter un signal par voie optique dans une puce, il est nécessaire d’avoir une source optique présente sur celle-ci. Cette source optique n’est rien d’autre qu’un laser. Nous croisons des lasers au quotidien, que ce soit le pointeur lors d’une présentation ou encore le lecteur de codes-barres au supermarché.

Alors comment est-il possible que le laser, pourtant si commun et nécessaire à une accélération de la vitesse du transfert de données, ne soit pas encore monnaie courante dans nos puces ?

Contrairement à nombre d’autres composants existant pour la filière photonique, comme les modulateurs et photodétecteurs sur silicium, l’intégration du laser sur des puces en silicium reste encore problématique. Les modulateurs permettent le codage du l’information sur le signal optique. Il est par exemple possible de réaliser le codage par variation d’intensité du signal lumineux. Les photodétecteurs permettent de détecter un signal optique, le laser, lui, permet la génération de ce signal optique.

En effet, afin de réaliser un laser de dimensions micrométriques, seuls certains matériaux répondent au cahier des charges. Ce sont des semiconducteurs III-V : des alliages d’un ou plusieurs matériaux de la colonne 13 du tableau périodique des éléments, comme l’aluminium, le gallium et l’indium, avec un ou plusieurs matériaux de la colonne 15 comme l’arsenic et le phosphore. Cependant, des différences intrinsèques entre le silicium et ces alliages rendent leur intégration difficile.

Une approche communément répandue aujourd’hui consiste à réaliser le laser sur une plaque de mêmes caractéristiques que lui. Ainsi, il n’y a pas de confrontation entre les matériaux du fait de leur similarité. Ce qui permet par la suite de venir découper le laser et le coller telle une vignette à l’endroit d’intérêt sur le silicium. Cette technique requiert cependant beaucoup d’étapes technologiques et s’avère coûteuse.

Malgré tout, elle commence à être commercialisée par des industriels comme Intel ou Luxtera. Ces entreprises ont été parmi les premières à proposer des solutions d’émetteurs-récepteurs optiques de façon industrielle. Les produits commercialisés actuellement leur permettent déjà d’amener la fibre optique jusqu’aux puces. Une autre approche commence à se développer consistant à intégrer directement, sans collage de vignette, le laser sur la plaque en silicium. Ainsi, la réalisation se fait directement sur la plaque.

Imaginez si vous essayiez de rentrer une cassette dans un lecteur CD. L’intégration du matériau pour le laser sur le silicium se résume un peu à cette image. Ces différences intrinsèques entre les matériaux posent de nombreux problèmes lors de l’intégration. Les chercheurs essaient d’y parvenir en les amoindrissant, mais la route reste ardue.

Quand aurai-je accès à cette technologie ?

De nos jours le transfert d’informations est majoritairement réalisé par voie optique même jusqu’à chez nous. Cependant, si l’on prend l’exemple de la box Internet, une fois le câble optique arrivé à cette dernière les informations sont converties en signaux électriques. La recherche s’attache donc à remplacer les fonctions électroniques existantes dans les puces par des fonctions optiques, notamment pour améliorer la vitesse de communication.

L’électronique actuelle est toujours capable de surpasser la photonique particulièrement à l’échelle des puces. Mais la recherche avançant, les capacités obtenues avec la lumière atteindront puis dépasseront celles atteintes avec l’électronique, comme cela a été le cas avec les câbles coaxiaux. Même si cette technologie n’est qu’une lointaine idée pour les particuliers, l’ère de la photonique ne fait que commencer, un futur lumineux s’annonce.

Marie-Léonor Touraton, Doctorante en nano-électronique et nano-technologies, Université Grenoble Alpes

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.