Puces laser au silicium auto-alimentées

Un informaticien de l'UCLA a transformé un composant énergivore d'un laser au silicium en un générateur d'énergie, ce qui pourrait aider les ingénieurs à essayer d'incorporer des éléments optiques plus rapides dans des processeurs commerciaux.

Bahram Jalali, professeur de génie électrique à l'UCLA, a démontré un moyen de réduire les besoins énergétiques des puces laser au silicium, ce qui pourrait les rendre plus commercialement réalisables pour les applications informatiques optiques. (Avec l'aimable autorisation de la Henry Samueli School of Engineering and Applied Science de l'UCLA.)

Non seulement nous ne déversons pas d'énergie, mais nous la récupérons en fait, dit Bahram Jalali , professeur de génie électrique à la Henry Samueli School of Engineering and Applied Science de l'UCLA. Cela semble trop beau pour être vrai, mais c'est vrai.

Alors que les fabricants de puces informatiques emballent de plus en plus de transistors sur une puce en silicium, ils se heurtent à une limite fondamentale : la quantité de données qu'ils peuvent extraire de la puce, ou d'une carte mère à une autre, via des fils de cuivre. Au fur et à mesure qu'ils augmentent la puissance et la quantité de données, la résistance électrique s'accumule – jusqu'à ce que les fils atteignent leur limite de vitesse.

Les entreprises de télécommunications ont surmonté ce problème il y a des années lorsqu'elles ont remplacé les fils de cuivre par des faisceaux de lumière transportés à travers des fibres de verre dans les communications longue distance. Aujourd'hui, les fabricants de puces tels qu'Intel construisent des versions minuscules de ces systèmes plus rapides, en profitant, sur des distances beaucoup plus courtes, de la plus grande capacité de transport des ondes lumineuses, qui ne sont pas affectées par la résistance électrique.

Il y a deux ans, Jalali a réalisé une percée en fabriquant un laser en silicium. La plupart des lasers sont fabriqués à partir d'autres matériaux ; en raison de sa physique, le silicium n'émet pas facilement de lumière. Mais générer des signaux optiques serait moins cher et plus facile si les lasers pouvaient être fabriqués à partir de silicium, dont les propriétés sont déjà bien comprises par l'industrie des semi-conducteurs. Puis, l'année dernière, Intel a poursuivi les travaux de Jalali avec une meilleure version d'un laser au silicium, ainsi qu'un modulateur pour coder les signaux sur le faisceau lumineux – et le domaine de la photonique au silicium est né (voir Intel’s Breakthrough, juillet 2005).

Mais il y avait un problème. Pour obtenir l'effet laser, Jalali et Intel ont utilisé un laser externe et l'ont tiré dans le silicium, où l'énergie du faisceau lumineux interagissait avec le matériau pour produire une nouvelle lumière. Le fait de frapper le silicium avec une lumière laser à haute intensité amène le silicium à générer des électrons indésirables, qui à leur tour peuvent absorber les photons produits, ce qui compromet l'effet laser. La matière devient comme une éponge, absorbant la lumière, dit Jalali.

Intel a résolu le problème en attachant une diode électrique et en faisant passer un courant à travers la puce pour essentiellement aspirer les électrons. Mais cela nécessitait environ un watt de puissance électrique – assez pour faire fonctionner un million de transistors sur la puce. Le courant traversant la puce produisait également de la chaleur perdue qui pourrait empêcher la puce de fonctionner.

Jalali s'est demandé ce qui se passerait s'il inversait la polarisation de tension de la puissance de la diode, ce qui inverserait le champ électrique dans le silicium. Le résultat : la polarisation inversée balayait toujours les électrons parasites, mais elle l'a fait sans consommer ce watt de puissance.

De la même manière qu'une cellule solaire génère de l'électricité lorsqu'elle est frappée par des photons à la lumière du soleil, les électrons supplémentaires des lasers au silicium sont libérés lorsque deux photons du laser se combinent dans le silicium. L'appareil de Jalali récupère les électrons libres et les utilise pour faire fonctionner des transistors sur la puce. Environ les deux tiers de la puissance optique perdue pour générer des électrons peuvent être récupérés et utilisés, dit Jalali. Au lieu d'utiliser un watt de puissance dans le nettoyage des électrons et de générer de la chaleur supplémentaire, sa méthode produit plusieurs milliwatts de puissance.

Jalali, dont les travaux sont financés dans le cadre d'un programme de la Defense Advanced Research Projects Agency pour faire progresser la photonique sur silicium, a annoncé ses résultats lors d'une conférence au Canada la semaine dernière. Il dit que pour être pratique, l'équipement de récolte d'électrons devrait être réduit à un dixième de sa taille actuelle, ce qui, selon lui, pourrait prendre environ trois ans.

Mario Paniccia, directeur d'Intel Laboratoire de technologie photonique , affirme que les travaux de Jalali montrent que la photonique sur silicium est en passe de devenir pratique. C'est dans la bonne direction… La façon dont vous utiliseriez exactement [l'effet générateur] et l'appliqueriez doit encore être optimisée, dit-il. Ce n'est pas quelque chose que vous penseriez arriver, mais une fois que vous le voyez, cela a du sens.

Intel travaille sur un programme visant à développer plusieurs composants clés d'un système photonique au silicium, y compris non seulement les sources lumineuses, mais également des modulateurs pour ajouter un signal, des amplificateurs optiques pour le booster, des photodétecteurs et des guides d'ondes à faible perte. Paniccia s'attend à ce que le travail de laboratoire puisse se traduire par des produits du monde réel d'ici 2010, en commençant par la communication entre les racks d'ordinateurs, puis le long du fond de panier d'un ordinateur (la carte de circuit imprimé qui permet à d'autres cartes, telles que des cartes audio, d'être branchées) et enfin d'une puce à l'autre.

L'approche de Jalali n'est cependant pas une panacée. À des intensités optiques très élevées, le nombre d'électrons parasites devient si élevé que la polarisation inverse n'est pas suffisante pour les éliminer tous sans utiliser plus de puissance. Et pour certaines applications, les concepteurs de puces préféreraient un laser posé sur la puce et fonctionnant à l'électricité, au lieu d'être pompé par la lumière d'un autre laser, comme l'exigent les puces laser au silicium actuelles. Mais, dans de nombreux cas, dit Jalali, la source laser externe est un avantage car elle réduit la consommation d'énergie sur la puce.

Paniccia assimile le développement de la photonique au silicium à la création du transistor. Les ordinateurs à tubes à vide remplissaient des pièces entières, jusqu'à ce que les transistors les rétrécissent, et le circuit intégré a finalement conduit à des ordinateurs extrêmement puissants qui pouvaient être transportés dans des sacs à bandoulière. De même, il imagine un jour que la photonique au silicium rétrécit les routeurs et autres équipements qui remplissent une salle de commutation à la taille d'une puce. Dit Paniccia : Cela permettra à l'optique, et aux avantages de l'optique, d'aller là où ils ne pouvaient pas aller auparavant.

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