Les systèmes optiques du futur utiliseront peut-être des interrupteurs entre photonique et plasmonique

Les systèmes optiques du futur utiliseront peut-être des interrupteurs entre photonique et plasmonique,
ils peuvent changer la lumière de direction plusieurs millions de fois par seconde

Les réseaux informatiques actuels demandent une bande passante de plus en plus importe, que seule la fibre optique semble permettre. Cependant, pour des réseaux à grande échelle, du matériel de commutation est indispensable pour envoyer les paquets à l’endroit où ils sont attendus. Ces commutateurs optiques sont pour le moment très gros et consomment énormément d’énergie, trop pour suivre le mouvement de l’électronique photonique, qui consiste à intégrer des composants optiques à l’intérieur des puces en silicium utilisées pour réaliser les processeurs actuels. L’autre option est de transformer les signaux optiques en signaux électriques, de les traiter comme s’ils venaient d’un canal en cuivre, puis de les réémettre dans le domaine optique : c’est une perte de temps énorme, qui limite les débits.

Un nouveau commutateur nanooptoélectromécanique (donc, de petite taille, qui travaille dans le domaine optique, avec un comportement mécanique) pourrait changer la donne. Celui-ci pourrait être créé dans des puces de silicium traditionnelles, avec une logique CMOS : il occuperait une place d’à peine une dizaine de microns carrés et nécessiterait une tension d’alimentation d’un volt. On pourrait donc profiter de tous les avantages des communications en fibres optiques, y compris pour un réseau local, sans devoir passer impérativement par un réseau cuivré.

Son principe de base est de trouver un point commun entre les photons et les électrons. Les premiers (des particules de lumière) traversent tout à la vitesse de la lumière (au sens propre), ce qui leur permet de transporter de l’information très vite. Cependant, cette vitesse n’est atteignable que parce que les photons interagissent très peu avec leur environnement : il faut beaucoup d’énergie pour les dévier. Au contraire, les électrons (des particules chargées qui transportent l’électricité) interagissent de manière beaucoup plus forte, au prix d’un ralentissement certain (et d’une consommation énergétique supérieure pour leur déplacement).

https://spectrum.ieee.org/image/MzQxMjc1NA.jpeg

Le commutateur proposé est constitué d’un disque au niveau d’une intersection en T entre deux guides optiques, situés à la perpendiculaire. La couche supérieure du disque est une membre d’or de quarante nanomètres, posée sur un morceau d’alumine, lui-même déposé sur une couche de silicium. Cette structure sert de guide d’onde courbé qui peut transférer de la lumière vers l’une ou l’autre sortie, sans jamais transformer les photons en électrons.

La magie se situe dans la feuille d’or : les électrons oscillent et excitent les électrons de cette feuille d’or. Ces vibrations produisent des plasmons qui vibrent à la même fréquence que la lumière. Ces derniers restent confinés entre l’or et le silicium, ce qui crée un effet optoélectromécanique concentré. Si on n’applique aucune tension électrique à ce commutateur, la lumière transite dans un sens, avec très peu de pertes. Au contraire, dès qu’on applique une tension de l’ordre du volt, les charges statiques poussent la feuille d’or plus près du silicium, ce qui a pour effet de changer la forme du guide d’onde : la lumière est redirigée.

Ce procédé peut fonctionner très vite, avec des décisions de commutation prises plusieurs millions de fois par seconde. Cependant, le côté mécanique apporte une certaine limitation : il est impossible de réagir endéans la picoseconde, ce qui empêche l’utilisation d’un tel mécanisme dans des émetteurs optiques.

https://youtu.be/A6ZBg55RoZw

Source : IEEE.
Plus de détails : la publication complète.

Petite avancé en relation avec l'article (photonique sur silicium), qui date de décembre 2018, alliant fibre optique et microfluidique.

Pour faire face à la croissance continue du trafic de données, les technologies de commutation des données nécessitent une plus grande capacité de commutation et des besoins plus élevés d'interconnexions à large bande. Des chercheurs financés par l'UE, travaillant sur le projet SwIFT, ont présenté une nouvelle technologie de commutation optique pouvant être utilisée à partir des centres de données pour accéder à des réseaux. Cette nouvelle solution ouvre la voie à des réseaux de fibres optiques extrêmement flexibles, évolutifs et faciles à gérer. C'est un nouveau mécanisme de commutation, dans une puce photonique entraîné par de minuscules gouttelettes, susceptible de bousculer l'avenir des communications de données et des télécommunications.
NB : L'ambition du projet SwIFT était de repousser les limites des technologies de la photonique et de la fluidique afin de démontrer leur impact sur un commutateur optique doté de centaines de ports.

Explication :

La photonique sur silicium
La lumière y est étroitement confinée dans les guides d'ondes en silicium en raison de l'indice de réfraction élevé. Ce confinement étroit permet la création de circuits optiques très compacts, à haute densité. Les processus à haut rendement à l'échelle de la plaquette permis par la photonique sur silicium offrent la possibilité de créer des composants de commutation compacts, sophistiqués et fiables pouvant être fabriqués à un coût relativement bas et en grande quantité.

Le système microfluidique
Le faisceau de lumière entrant dans le tableau de contrôle de la puce photonique au silicium peut être basculé d'un guide d'onde à l'autre en fonction de la position des gouttelettes qui couvrent la structure des guides d'onde situés dans la puce. Les différents indices de réfraction des deux liquides non miscibles qu'ils ont utilisé peuvent affecter de manière significative la propagation de la lumière guidée dans le composant optique intégré sous-jacent.
Cette approche permet de concevoir des gouttelettes susceptibles de se trouver dans deux états de repos différents. En dépassant un certain seuil, le champ électrique appliqué permet à la gouttelette de dépasser les barrières mécaniques qui la maintiennent dans une certaine position et de migrer vers un autre micro-environnement où elle reste stable.

Le principal avantage de la microfluidique réside dans le fait qu'en l'absence de champ électrique, la gouttelette reste là où elle se trouve, et donc le commutateur se souvient, en quelque sorte, de la configuration. C'est exactement le concept qui sous-tend la notion de commutateur optique non volatile.
Cette solution présente un intérêt pour des applications où la commutation continue de plusieurs signaux optiques est tout aussi importante que la vitesse de commutation. De tels composants permettent un fonctionnement à large bande avec une vitesse de commutation de l'ordre de quelques millisecondes. Cela peut s'avérer très utile pour la gestion des infrastructures à fibres optiques dans les réseaux d'accès où plusieurs bandes de longueur d'onde doivent généralement être commutées simultanément.
NB : propos rapportés d'après une interview du coordinateur du projet : Jan Watté.
...qui fini par ceci : "Ce commutateur de télécommunication optique multiport compact et économique, destiné à la gestion distante de la fibre, devrait permettre d'augmenter considérablement la vitesse de transmission des données par fibre optique."

Il serait alors possible, dans un futur, de trouver des commutateurs macro à base de opto-microfluidique, orientant ce qui déboule des "gros tuyaux", cohabitant avec des systèmes de commutateurs nano à base d'opto-plasmonique (l'article des disques en or flexibles), orientant un flux plus "finement" et rapidement aiguillé (d'un facteur mille).