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Science

La photonique contre la saturation des réseaux

Par Marine Corniou - 20/06/2017


La fibre optique permet de transmettre de l’information sur de très longues distances à une vitesse fulgurante. Mais pour éviter la congestion des réseaux de télécommunications, on mise sur de nouvelles puces de silicium.

Voyageant à 300 000 km/s, la lumière est tellement rapide qu’on a cru, jusqu’au XVIIe siècle, qu’elle était instantanée. « L’idée d’utiliser la lumière pour communiquer ne date pas d’hier, rappelle Sylvain Cloutier. Déjà, dans l’Antiquité, les Grecs utilisaient des signaux lumineux pour la navigation. »

Aujourd’hui, c’est à la lumière que l’on doit nos connexions internet haut débit et notre monde « branché ». Un incroyable réseau de fibres optiques sillonne en effet la planète, reliant les grandes métropoles entre elles et les continents par des câbles sous-marins.

Si les moyens se sont perfectionnés depuis les premiers phares, le concept reste globalement le même : « On envoie des impulsions lumineuses, un peu comme un code morse. Les fibres optiques permettent de transporter ces signaux lumineux du point A au point B », résume le professeur au département de génie électrique de l’ÉTS à Montréal.

Ces fils de verre souples et fins, mis au point dans les années 1970, sont constitués de deux matériaux à base de silice, le cœur et la gaine, qui ont des indices de réfraction différents. De quoi confiner et guider la lumière qui se réfléchit sur l’interface entre le cœur et la gaine et se propage ainsi avec un minimum de perte. « Grâce aux lasers, on peut générer des impulsions très courtes pour véhiculer énormément d’information », précise Sylvain Cloutier.

L’efficacité des fibres optiques n’est plus à démontrer. « Alors qu’une paire de fils de cuivre pour le téléphone peut transmettre jusqu’à 3 000 conversations simultanées sur une distance de quelques centaines de mètres tout au plus, grâce à des électrons, une fibre optique peut en transmettre plus de 1 million sur des distances pouvant atteindre 10 000 km, grâce aux photons ! » indique Christine Tremblay, professeure et fondatrice du Laboratoire de technologies de réseaux au département de génie électrique de l’ÉTS.

Pour atteindre de telles capacités de transmission, on utilise la technique de multiplexage en longueur d’onde appelée WDM. « Un tel système de transmission permet de transporter dans une seule fibre optique presque une centaine d’ondes lumineuses de couleurs différentes, chacune portant indépendamment son flux de données. Les systèmes actuels transportent environ 100 gigabits par seconde par longueur d’onde, ce qui est considérable », précise la chercheuse spécialiste des réseaux de télécommunications.

L'électron, le maillon faible

« À la fin des années 1990, la fibre optique est devenue le moyen de transmission de choix pour les grandes distances. Mais si on peut se permettre d’en installer entre New York et Montréal, par exemple, les équipements optiques qui sont situés à chaque extrémité sont encore très chers », ajoute Michaël Ménard, chercheur du Laboratoire de microtechnologies et de microsystèmes (Micro²) de l’Université du Québec à Montréal (UQAM).

Résultat, dans les réseaux locaux et les nœuds de commutation, l’électron est encore souvent le seul maître à bord, ce qui ralentit considérablement le flux des données. Ainsi, dans le cas d’Internet, les routeurs électroniques doivent convertir, trier et mémoriser une quantité colossale de paquets de données « lumineuses », qui arrivent de manière pratiquement simultanée. Et le trafic des données numériques, qui se fait majoritairement par le biais des centres de données (data centers), repose encore essentiellement sur des transmissions électriques.

« Or, nos besoins en capacité augmentent sans cesse. L’optique doit donc pénétrer dans des réseaux plus courts », poursuit le chercheur. Car les fils de cuivre saturent, un peu comme le pont Champlain aux heures de pointe… Pourra-t-on s’affranchir complètement des liaisons électriques, en passant à l’ère du tout optique ? C’est en tout cas vers cet objectif que convergent de nombreuses recherches, dont celles de Christine Tremblay et de Michaël Ménard.

« L’idée est de miniaturiser et d’intégrer des dispositifs qui manipulent la lumière sur des puces en silicium », résume l’ingénieur, en montrant un prototype de puce optique, sur laquelle sont disposés des « guides d’onde », de minuscules fibres optiques, en silicium.

En remplaçant les liaisons électriques entre les puces ou les microprocesseurs par des guides d’onde et des circuits optiques, la « photonique intégrée sur silicium » est la solution qui s’impose pour faire face à la croissance effrénée du nombre d’appareils mobiles intelligents, des services offerts sur Internet, du visionnage de vidéos en ligne, du partage de fichiers, etc.

« Les composants photoniques utilisés aujourd’hui font appel à des semi-conducteurs comme l’arséniure de gallium ou le phosphure d’indium, propices à la fabrication de lasers, mais coûteux. Notre but est de mettre au point des circuits intégrés capables de manipuler des signaux optiques, en utilisant le silicium, le matériau le plus utilisé dans l’électronique, pour une production à grande échelle et à coût réduit », ajoute-t-il.

Une nouvelle ère

Mais il y a encore des obstacles à franchir, notamment pour assurer la fiabilité des dispositifs. De plus, si le silicium conduit bien la lumière, il ne permet pas de la générer efficacement, contrairement au phosphure d’indium, par exemple. Il faut donc ruser. « Les approches émergentes consistent à intégrer un morceau micrométrique de phosphure d’indium sur le silicium pour y générer la lumière et faire en sorte que tout soit sur la même puce », indique le chercheur. Et les applications commerciales commencent déjà à voir le jour. Plusieurs entreprises, comme Intel et IBM, qui développent la photonique sur silicium depuis une quinzaine d’années, prévoient de l’implanter prochainement dans certains centres de données et supercalculateurs pour connecter des serveurs distants de quelques dizaines à quelques centaines de mètres. Micro², quant à lui, s’est associé en mars dernier à la start-up Aeponyx pour intégrer des composantes optiques dans les centres de données.

De son côté, Christine Tremblay mise sur la photonique sur silicium pour fabriquer des outils de télécommunication plus compacts et moins énergivores. Avec une équipe de l’université Jiao Tong de Shanghai, en Chine, elle développe et teste des circuits optiques sur puce de silicium pour « traiter » l’information au bout des fibres optiques.

« Il s’agit de micro-anneaux qui ont un diamètre entre 10 micromètres (µm) et 20 µm, et qui agissent un peu comme des carrefours giratoires. Ils permettent de guider, d’extraire les longueurs d’onde et de les diriger vers les bonnes voies de sortie, explique-t-elle. Sur une puce de 2 cm sur 1 cm, nous pouvons mettre plusieurs centaines de micro-anneaux ! » s’enthousiasme-t-elle. Outre la compacité, la photonique sur silicium offre l’immense avantage de fonctionner avec des
tensions très faibles, de quelques volts seulement.

« Cela permet d’avoir des dispositifs qui consomment beaucoup moins d’énergie, et qui sont aussi très flexibles, car il est possible d’agir sur la lumière et de manipuler le signal activement et non seulement de le guider de façon passive », précise la chercheuse.

Cumulant bien des avantages, la photonique sur silicium devrait donc devenir la norme dans les décennies à venir. « Elle permet de régler beaucoup de problèmes liés à la densité croissante des câblages dans les centres de réseaux », conclut Christine Tremblay.

Texte réalisé dans le cadre d'un dossier sur la lumière, en collaboration avec le réseau UQ.

 

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