En utilisant un algorithme d’IA, des chercheurs sont parvenus à réduire jusqu’à 500 fois la taille de trois composants clés des microprocesseurs photoniques, libérant ainsi de l’espace pour d’autres fonctionnalités. Cette forte réduction de la taille aurait été obtenue grâce à une technique de conception inverse permettant d’identifier des structures qu’aucun ingénieur humain n’aurait, selon les chercheurs, pu imaginer.
Contrairement aux puces électroniques, les circuits photoniques utilisent des photons pour transporter et manipuler l’information. Ils peuvent ainsi offrir des débits et des bandes passantes élevés, notamment grâce au multiplexage de plusieurs longueurs d’onde.
Ils offrent également une bande passante plus large, les différentes longueurs d’onde pouvant chacune véhiculer des flux de données distincts. Ces caractéristiques leur permettent d’être utilisés dans des technologies telles que les communications optiques, les centres de données dédiés à l’IA, la télédétection par laser pour les véhicules autonomes et l’informatique quantique.
Les microprocesseurs photoniques comportent différents composants, tels que des coupleurs à réseau, couplant de la lumière provenant des fibres optiques vers et depuis la puce et des résonateurs annulaires, de petites structures circulaires qui stockent temporairement la lumière avant de la laisser se propager à nouveau dans la puce.
Ces composants sont habituellement conçus manuellement, généralement à partir d’une conception déjà éprouvée et en ajustant les différents paramètres jusqu’à obtenir la fonctionnalité souhaitée. Cette approche est cependant à la fois longue et fastidieuse, ce qui limite les possibilités de configuration à explorer.
Un groupe international de chercheurs propose d’utiliser l’IA et la conception inverse pour accélérer le processus de conception de microprocesseurs photoniques plus compacts et susceptibles d’être intégrés à plus grande échelle. « La conception inverse nous permet de définir le comportement souhaité de la lumière, et l’optimisation trouve une structure qui y répond, souvent une structure qu’aucun humain n’aurait imaginée», explique dans un communiqué Toby Bi, co-auteur principal de l’étude sur la nouvelle approche et doctorant à l’Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL).
Des composants réduits à l’échelle du micromètre
L’objectif de l’étude — détaillée dans la revue Nature Communications — était de réduire la taille de trois classes de composants : des multiplexeurs/démultiplexeurs en longueur d’onde, des trieurs de modes spatiaux et des miroirs.
Pour ce faire, les chercheurs ont indiqué à l’IA précisément les fonctionnalités attendues des composants et leurs comportements par rapport à la lumière. Ils ont également défini des contraintes de fabrication telles que les limites dans la courbure des nanostructures. Le modèle a ainsi procédé à rebours en testant différentes configurations jusqu’à identifier les nanostructures optimales.
L’approche de conception inverse a utilisé du nitrure de silicium épais, avec des couches de 400 à 800 nanomètres d’épaisseur, dont certaines structures utilisent une couche de 800 nm, ce qui permettrait de réduire la perte optique. Le nitrure de silicium présente également des propriétés intéressantes pour la génération de lumière à faible bruit et de différentes longueurs d’onde.
Animation montrant la progression de l’optimisation de la conception photonique. La structure du dispositif (vue de dessus sur cette image) évolue au fil des itérations successives du processus d’optimisation informatique. © Aditya Paul, Université de Harvard
« Le nitrure de silicium épais est à la base de la plupart des dispositifs photoniques intégrés hautes performances que nous utilisons, mais jusqu’à présent, sa bibliothèque de composants se limitait à des conceptions réalisées manuellement», explique le coauteur de l’étude, Pascal Del’Haye, du MPL et de l’Université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg. « Ces composants compacts, conçus par ordinateur, constituent une étape vers des circuits photoniques non linéaires et quantiques plus densément intégrés.»
L’équipe est parvenue à réduire la taille des composants jusqu’à 500 fois, cette réduction d’environ 500 fois concernant les trieurs de modes spatiaux (MDM) par rapport à des conceptions conventionnelles. Pour les séparateurs de longueurs d’onde (WDM), la réduction atteint environ 50 à 300 fois. Le séparateur de longueurs d’onde avait une empreinte de seulement cinq micromètres, tandis que le trieur de modes spatiaux était légèrement plus grand. Les miroirs avaient quant à eux une zone de conception d’environ 11 × 2,8 micromètres.
Une puce photonique contenant ces composants peut être comparée à une pièce de 10 centimes pour donner une idée de son échelle. Les miroirs atteignaient une réflectivité allant jusqu’à 98,5 % tout en bloquant certains modes spatiaux indésirables. Placés par paires de part et d’autre d’un guide d’ondes, la lumière y rebondit plus de 100 fois avant de s’échapper, ce qui illustre les faibles pertes obtenues avec cette plateforme de nitrure de silicium, selon les chercheurs.
La prochaine étape consistera à intégrer ces composants à des circuits photoniques non linéaires. « Ces résultats démontrent la faisabilité de composants photoniques compacts, robustes aux erreurs de fabrication et personnalisés, et ouvrent la voie à une intégration évolutive et performante dans les systèmes photoniques à base de nitrure de silicium », concluent les chercheurs dans l’étude.
