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Nouvel espoir pour le traitement du signal optique
Pendant des décennies, les chercheurs développant l'électronique ont eu un énorme succès en faisant progresser presque toutes les applications liées au traitement de l'information : selon la loi de Moore, la densité de données sur une puce électronique a doublé tous les 18 mois. Bien que cette croissance exponentielle se poursuive probablement pendant un certain temps, des limitations physiques inhérentes devraient l'empêcher de durer indéfiniment. Certaines de ces limitations sont déjà évidentes : comme l'électronique des ordinateurs est obligée de fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées, la dissipation de puissance et l'échauffement du matériel qui en résulte deviennent un problème très sérieux. Dans les nœuds des réseaux de télécommunications optiques, où les données doivent être traitées électroniquement à des fréquences opérationnelles particulièrement élevées, le problème est encore plus important.
Illustration par Eric Hanson
Réalisant que le traitement du signal électronique serait finalement confronté à une limitation physique fondamentale, les ingénieurs au début des années 1980 ont exploré la possibilité de construire un ordinateur optique, dans lequel les données seraient transportées par la lumière (photons) au lieu de porteurs chargés (électrons). Ils n'ont pas eu la vie facile. Le véritable traitement du signal entièrement optique nécessite un moyen d'influencer la lumière avec la lumière elle-même. C'est-à-dire qu'il faut utiliser des matériaux dont les propriétés optiques peuvent être modifiées par la présence d'un signal lumineux ; cela peut être utilisé pour influencer un autre signal lumineux, effectuant ainsi une opération de traitement de signal tout optique. Malheureusement, ces effets ont tendance à être extraordinairement faibles, de sorte que les éléments de logique optique proposés dans les années 1980 étaient trop grands ; ils consommaient des ordres de grandeur trop d'énergie pour être réalisables. Les gens ont commencé à considérer le traitement du signal optique comme peu pratique.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2006
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Maintenant, cependant, avec les limites de l'électronique qui se profilent beaucoup plus, les ingénieurs ont recommencé à se tourner vers l'optique. En effet, il est probable que le transport de données entre les différents composants des ordinateurs de bureau (entre les différentes parties du processeur, et entre la mémoire et le processeur) se fera bientôt de manière optique. Alors que le besoin grandit de mécanismes physiques améliorant notre capacité à manipuler la lumière, les cristaux photoniques (inventés en 1987) sont apparus comme un moyen prometteur d'y répondre.
Les cristaux photoniques sont des méta-matériaux nanostructurés créés artificiellement dont les propriétés optiques varient périodiquement à l'échelle de la longueur d'onde de la lumière. Parfois appelés semi-conducteurs pour les photons, les cristaux photoniques offrent des possibilités sans précédent pour modeler le flux de lumière. Par exemple, ils ont été utilisés pour créer des commutateurs tout optiques d'une taille inférieure à un micromètre et d'un ordre de grandeur plus rapides que les transistors utilisés dans l'électronique commerciale. De plus, des conceptions de cristaux photoniques ont été proposées qui pourraient permettre une interaction non linéaire même entre des photons uniques. Ces matériaux pourraient ainsi changer radicalement l'opinion selon laquelle les interactions optiques sont trop faibles pour être utilisées pour le traitement du signal.
Les technologies optiques continueront à pénétrer plus profondément dans les conceptions électroniques, et les cristaux photoniques joueront un rôle majeur pour rendre cela possible. Le traitement de l'information dans un futur proche sera donc probablement assuré par des conceptions hybrides électroniques et optiques, l'optique jouant un rôle de plus en plus important.
Marin Soljacic est professeur assistant de physique au MIT et membre du TR35 de cette année.