La technologie de laser à points quantiques du CNRC arrive à point nommé

 

- Ottawa, Ontario

Un laser à semi-conducteurs et à longueurs d'onde multiples, à la fois fiable et peu coûteux, attire l'attention à l'échelle de la planète

Les lasers rayonnent sur la planète depuis 1960. Vous avez déjà probablement assisté à un spectacle laser dans un centre des sciences ou à un spectacle de lumière sur la Colline du Parlement, dans la capitale canadienne. Les lasers sont utilisés pour dissuader les voleurs dans des musées, découper du métal dans des usines et corriger une vision chancelante. Ils sont également utilisés pour accroître la performance et améliorer la résolution de votre télévision intelligente, balayer des codes à barres dans les supermarchés et vous connecter à Internet.

Zhenguo Lu (Ph.D.) examinant sous microscope les puces à semi-conducteurs de lasers à points quantiques à peigne de fréquences cohérent.

Les ondes laser transmettent de grandes quantités d'information en envoyant des impulsions infrarouges au moyen d'une fibre transparente et flexible de la même épaisseur qu'un cheveu humain. Ces fibres optiques sont couramment utilisées par les sociétés en télécommunications pour transmettre des données pour la communication vocale, l'Internet et la télévision par câble. Pour que ces fibres soient chargées avec encore plus de données, les lasers multiples émettent à différentes longueurs d'onde (ou canaux) à une extrémité de la fibre et sont triés par filtres à l'autre extrémité.

La connectivité technologique progresse à pas de géant, et les marchés exigent des taux de données toujours plus importants et davantage de canaux, ce qui nécessite que les appareils électroniques grand public et les réseaux optiques affichent une performance supérieure. Les technologies existantes peinent à suivre la cadence.

Historiquement, les réseaux de fibre optique ont eu besoin de lasers à semi-conducteurs individuels pour acheminer des données. Ces lasers consomment de l'énergie, contribuant ainsi à la hausse constante de la demande en énergie. Par exemple, les centres de données consomment autant d'énergie que l'ensemble du secteur de l'aviation civile. Cela représente environ 5 % de notre consommation totale d'énergie, et la demande double tous les 5 ans. Les lasers sont très sensibles à la chaleur. Ainsi, leurs émissions fluctuent en fonction de la température. À 85 oC, il pourrait falloir à un laser 3 fois plus de courant pour produire la même quantité de lumière qu'à une température de 25 oC. Pour maintenir les émissions, les fabricants doivent soit refroidir le laser, soit introduire une circuiterie de plus, ce qui est coûteux et chronophage.

« Une solution prometteuse à ces problèmes est le laser à points quantiques », explique Zhenguo Lu, chef de l'équipe de photonique au Centre de recherche en électronique et photonique avancées du Conseil national de recherches Canada (CNRC). « Les points quantiques sont constitués de nanocristaux fabriqués à partir d'un matériau semi-conducteur. Avec suffisamment de points — des millions ou des milliards —, un laser émettra de multiples longueurs d'onde, utilisant ainsi moins d'espace et moins d'énergie, tandis que les émissions demeureront stables, quelle que soit la température. »

Relier les points entre eux

Zhenguo Lu (Ph.D.) expérimentant des lasers à points quantiques à peigne de fréquences cohérent pour système de réseautage Tb/s.

Après une décennie de recherches sur la technologie des lasers, M. Lu et son équipe de projet sont parvenus à présenter un laser à points quantiques et à longueurs d'onde multiples novateur qui a éveillé l'intérêt de bon nombre de collaborateurs, dont une entreprise en démarrage canadienne. Celle-ci a intégré la technologie dans ses produits dès 2015. L'équipe de projet a depuis continué à développer la technologie de réseaux de transmission optique cohérente et la 5G et au-delà des réseaux sans fil. « Nous avons fait la démonstration d'une capacité de transmission de données sans précédent s'élevant à 12,03 térabits (Tbit) par seconde en utilisant un seul laser à points quantiques. », explique M. Lu. Un seul laser à semi-conducteurs peut transmettre plus de 15,6 millions de films à haute résolution sur Netflix.

M. Lu fait valoir que cette percée permettra même aux micropuces les plus performantes de fonctionner sans faille à des températures allant jusqu'à 180 oC. Étant donné qu'il a plusieurs longueurs d'onde, le laser à points quantiques peut être utilisé pour acheminer différents flux de données, contrairement aux systèmes de réseautage précédents, qui nécessitaient des centaines de lasers individuels pour le transport des données. « Les anciens réseaux étaient larges et encombrants, en plus de consommer beaucoup d'énergie », ajoute M. Lu. « En comparaison, notre solution de laser à points quantiques s'appuie sur la nanotechnologie. Elle est donc non seulement 30 % plus petite, mais aussi suffisamment puissante pour réduire la demande en énergie. »

Cette approche révolutionnera l'industrie, mais M. Lu admet qu'un travail considérable de recherche-développement (R-D) est nécessaire avant qu'une mise en marché soit possible. La bonne nouvelle, c'est que plusieurs universitaires et collaborateurs du secteur privé collaborent étroitement avec le CNRC pour réunir tous les éléments.

Une partenaire importante en matière de R-D est Karin Hinzer, professeure à l'Université d'Ottawa et titulaire de la chaire de recherche sur les dispositifs photoniques pour la production d'énergie. « Notre groupe de recherche prend des dispositifs photoniques comme des lasers et des panneaux solaires et les rend ultra-performants et économiques », explique Mme Hinzer. « Les nanomatériaux à points quantiques constituent une technologie attirante parce qu'ils sont compacts et consomment très peu d'électricité. » Cette collaboration signifie que les 2 groupes de recherche peuvent échanger des connaissances, mais aussi mettre en commun des logiciels et du matériel informatique pour procéder à des tests assortis. Mme Hinzer précise que son équipe jouit d'un appui solide de la part du Programme Défi « Réseaux sécurisés à haut débit » du Centre de recherche en électronique et photonique avancées.

Le prototypage est la dernière étape dans le développement avant que le produit puisse être lancé. L'un des clients du Centre de recherche en électronique et photonique avancées, Ciena Inc., a acquis des lasers à points quantiques et est à tester divers prototypes. Entreprise internationale en systèmes, services et logiciels de réseau, Ciena voit du potentiel dans l'utilisation des technologies basées sur les points quantiques pour les émetteurs optiques multiporteurs.

« Le Centre de recherche en électronique et photonique avancées et le Centre canadien de fabrication de dispositifs photoniques (CCFDP) forment une ressource de classe mondiale et un collaborateur de confiance en matière de R-D », indique Maurice O'Sullivan, directeur principal des systèmes optiques de Ciena. « Travailler ensemble nous a permis d'approfondir notre compréhension de cette technologie. »

Une technologie pointue qui suscite un grand intérêt

L'équipe des lasers à points quantiques a remporté en 2018 le prix Découverte scientifique et technologique du CNRC. Ses membres sont présentés de gauche à droite :
Rangée arrière – Martin Vachon, John Weber et Craig Storey
Rangée avant – Iain Stewart, président du CNRC, Youxin Mao, Zhenguo Lu, Chun-Ying Song et Philip
Poole (absent : Jiaren Liu)

Ces lasers à points quantiques, hautement rapides, peu énergivores et stables en dépit de la température, ont attiré l'attention de géants de la technologie de partout dans le monde, qui perçoivent la valeur de l'intégration de ces lasers à leurs propres systèmes pour réduire les coûts, tout en répondant aux besoins, en forte croissance, de la planète.

M. Lu a suscité un intérêt considérable à l'égard de cette solution, qui utilise des matériaux qui ne sont disponibles que dans 2 pays, à savoir la France et le Canada. Les articles qu'il a publiés sont souvent cités, et M. Lu est invité à titre de conférencier à l'échelle de la planète, en plus d'échanger avec plusieurs multinationales.

Selon les prévisions, la valeur du marché du laser à points quantiques devrait croître à environ 50 milliards de dollars des États-Unis d'ici 2025 et afficher un taux de croissance annuel composé de quelque 60 %. Avec sa technologie novatrice basée sur les points quantiques, le CNRC et ses partenaires ont une formule gagnante pour « enthousiasmer » la planète.

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