Technologie disruptive
Les peignes de fréquence à l’échelle du puce alimentent le futur des données
Des chercheurs de Columbia Engineering ont créé une nouvelle puce capable de transformer un laser en un « peigne de fréquence », générant plusieurs canaux lumineux puissants simultanément.
En utilisant un mécanisme de verrouillage spécial, les chercheurs ont nettoyé la lumière laser désordonnée et ont atteint une précision de niveau laboratoire sur un petit dispositif en silicium. Cette réalisation peut améliorer considérablement l’efficacité des centres de données et stimuler les innovations en LiDAR, détection et technologies quantiques.
Les micropeignes réduisent la précision de niveau laboratoire à l’échelle d’une puce
Les chercheurs ont créé le dispositif micropeigne à haute puissance pour améliorer la technologie LiDAR (Light Detection and Ranging).
LiDAR est une technologie de télédétection qui utilise une lumière laser pulsée pour calculer les distances et créer des modèles 3D haute résolution de l’environnement. Il fonctionne comme le radar, mais utilise la lumière au lieu du son.
Le système émet des impulsions laser et mesure le temps de leur retour afin de déterminer des distances précises aux objets et de suivre le mouvement en temps réel.
Composé d’un laser, d’un scanner et d’un récepteur GPS spécialisé, un instrument LiDAR génère un « nuage de points » détaillé, qui est ensuite utilisé pour créer des cartes 3D pour des applications telles que la conduite autonome, la surveillance environnementale, le levé topographique et l’archéologie.
La technologie a été inventée dans les années 1960, initialement appliquée à la météorologie, à la détection océanique et à la cartographie topographique, avant d’être étendue à l’espace par la NASA. Dans les années 2010, les automobiles commerciales ont commencé à utiliser le LiDAR, et depuis, le LiDAR automobile est devenu très populaire dans les voitures électriques haut de gamme.
Compte tenu de l’augmentation des applications du LiDAR, les chercheurs travaillent constamment à améliorer la technologie. De nombreuses innovations passionnantes des technologies laser sont intégrées à l’optique avancée, permettant une miniaturisation supplémentaire et promettant un avenir à long terme pour les systèmes LiDAR.
L’objectif des chercheurs de la Columbia University School of Engineering and Applied Science était de trouver un moyen d’extraire une puissance plus élevée et une pureté spectrale supérieure à partir de systèmes laser compacts afin de permettre la génération de peignes de fréquence à l’échelle de puce pour améliorer les communications, la détection, la spectroscopie, le LiDAR et d’autres applications photoniques intégrées.
Ainsi, ils ont créé un micropeigne, un dispositif photonique miniature qui produit une série de fréquences optiques régulièrement espacées, comme les dents d’un peigne, sur une puce.
Ces peignes de fréquence miniatures intégrés ont le potentiel de réduire la taille des systèmes complexes traditionnellement nécessaires pour de telles applications. Ainsi, les micropeignes intégrés sont prometteurs pour de nombreuses applications nécessitant une puissance de sortie élevée, une empreinte réduite et une grande efficacité, comme la spectroscopie, la détection et les communications de données.
Récemment, les chercheurs ont démontré des micropeignes alimentés électriquement grâce à l’intégration de puces à gain (éléments optiques semi-conducteurs) avec des résonateurs de pointe. Mais leur puissance optique globale reste bien inférieure à ce dont les solutions pratiques ont besoin.
Cette limitation a été résolue par les chercheurs de Columbia qui ont démontré des micropeignes à fréquence Kerr alimentés électriquement et à haute puissance.
Des diodes « désordonnées » aux micropeignes propres
Curieusement, il s’agissait d’une découverte accidentelle. Il y a quelques années, des chercheurs du laboratoire du co‑auteur Michal Lipson, professeur Eugene Higgins d’ingénierie électrique et professeur de physique appliquée, travaillaient sur un projet visant à améliorer les capacités du LiDAR lorsqu’ils ont remarqué quelque chose d’incroyable.
Ils concevaient des puces à haute puissance capables de générer des faisceaux lumineux plus brillants, et « à mesure que nous augmentions la puissance traversant la puce, nous avons remarqué qu’elle créait ce que nous appelons un peigne de fréquence », a déclaré Andres Gil‑Molina, ancien postdoc dans le laboratoire de Lipson et actuellement ingénieur principal chez Xscape Photonics.
Un peigne de fréquence est un spectre composé de lignes spectrales discrètes et régulièrement espacées. Cela signifie que ce type spécial de lumière contient différentes couleurs alignées les unes à côté des autres de manière ordonnée, comme on le voit dans un arc‑en‑ciel.
Ici, des dizaines de fréquences lumineuses brillent. Mais les espaces entre ces différentes couleurs ou fréquences restent sombres. Ainsi, lorsqu’on observe ces différentes fréquences brillantes sur un spectrogramme, elles ressemblent à des pics ou à des dents de peigne, d’où le nom.
Étant donné que les différentes couleurs de lumière n’interfèrent pas entre elles, chaque dent agit comme son propre canal, offrant une opportunité incroyable d’envoyer plusieurs flux de données simultanément.
Bien que très bénéfique, créer un peigne de fréquence puissant nécessite des lasers et amplificateurs grands et coûteux.
Publié dans Nature Photonics1, l’article détaille comment la même chose peut être réalisée sur une seule puce.
« La technologie que nous avons développée prend un laser très puissant et le transforme en dizaines de canaux propres et à haute puissance sur une puce. Cela signifie que vous pouvez remplacer des racks de lasers individuels par un seul dispositif compact, réduisant les coûts, économisant de l’espace et ouvrant la voie à des systèmes beaucoup plus rapides et plus économes en énergie. »
– Gil‑Molina
Non seulement cette recherche peut répondre à la demande énorme des centres de données en sources lumineuses puissantes et efficaces contenant de nombreuses longueurs d’onde, mais elle représente également une étape importante dans la mission de l’équipe d’avancer la photonique sur silicium.
Connue pour permettre un transfert de données nettement plus rapide tout en consommant moins d’énergie et en générant moins de chaleur que les circuits électroniques traditionnels, la photonique sur silicium a trouvé des applications dans les centres de données à haute vitesse, l’IA, le LiDAR, les technologies quantiques, l’IoT et la 5G.
La photonique sur silicium intègre des composants basés sur la lumière sur une puce en silicium en utilisant les processus de fabrication CMOS standard pour créer des circuits photoniques intégrés (PIC). Elle utilise des plaquettes silicon‑on‑insulator (SOI) comme plateforme semi‑conductrice pour former des guides d’ondes et d’autres composants qui dirigent la lumière pour une communication plus rapide, plus économe en énergie et des dispositifs plus petits et plus rentables.
« À mesure que cette technologie devient de plus en plus centrale pour les infrastructures critiques et notre vie quotidienne, ce type de progrès est essentiel pour garantir que les centres de données soient aussi efficaces que possible. »
– Lipson
Comment le verrouillage par auto‑injection nettoie et multiplie la lumière
Quel est le laser le plus puissant pouvant être intégré sur une puce ? Cette question a conduit les chercheurs à leur percée.
L’équipe de Columbia a choisi une diode laser multimode. Une diode laser (LD) est un dispositif semi‑conducteur qui produit une lumière monochrome à une longueur d’onde spécifique. Les diodes laser multimodes, ou lasers à large zone (BAL), offrent des puissances de sortie plus élevées et sont idéales lorsque l’on nécessite une puissance optique élevée et que la qualité du faisceau est moins critique.
Ces dispositifs produisent un faisceau plus large, ce qui réduit la qualité du faisceau mais augmente la densité de puissance. Les diodes laser multimodes sont largement utilisées dans des applications telles que les dispositifs médicaux, l’impression et l’imagerie, ainsi que les outils de découpe laser.
Tout en produisant d’énormes quantités de lumière, le faisceau de ces lasers est « désordonné », ce qui rend difficile son utilisation pour des applications précises.
Intégrer une diode laser multimode dans une puce de photonique sur silicium, où les voies lumineuses ne mesurent que quelques micromètres (μm) voire quelques centaines de nanomètres (nm), nécessite toutefois une ingénierie minutieuse.
Pour purifier cette source de lumière puissante mais très bruyante, l’équipe a utilisé un mécanisme de verrouillage.
Le verrouillage par auto‑injection a été employé dans le régime non linéaire pour générer des peignes à haute puissance sur puce et purifier simultanément la cohérence de la source de pompage.
Le verrouillage par injection est l’effet de fréquence qui peut se produire lorsqu’un oscillateur est perturbé par un second oscillateur fonctionnant à une fréquence proche. Lorsque les fréquences sont suffisamment proches et que le couplage est fort, le second oscillateur peut capturer le premier, le faisant adopter essentiellement la même fréquence que le second.
Cette technique est principalement appliquée aux sources laser à onde continue (CW) à fréquence unique lorsqu’une sortie haute puissance est requise, en combinaison avec un bruit d’intensité et de phase très faibles.
Elle repose sur la photonique sur silicium pour remodeler et nettoyer la sortie du laser, générant un faisceau plus stable et plus propre, ce que l’on appelle une haute cohérence. Une fois la lumière purifiée, les propriétés optiques non linéaires de la puce prennent le relais, divisant le faisceau unique puissant en dizaines de couleurs régulièrement espacées, ce qui constitue la caractéristique clé d’un peigne de fréquence.
La source lumineuse compacte et à haute efficacité qui en résulte combine la puissance brute d’un laser industriel avec la stabilité et la précision requises pour les communications et la détection avancées.
La source à faible cohérence a été intégrée avec une puissance de sortie élevée et des résonateurs à anneau en nitrure de silicium. Les résonateurs sont conçus avec une dispersion de vitesse de groupe normale, ce qui signifie que la vitesse diminue à mesure que la fréquence optique augmente. Cela se produit lorsque les longueurs d’onde plus longues voyagent plus rapidement que les plus courtes dans un milieu, entraînant l’étalement des impulsions optiques dans le temps.
Les micropeignes créés par l’équipe ont atteint des niveaux de puissance totale sur puce allant jusqu’à 158 mW. Les lignes du peigne, quant à elles, présentaient une largeur intrinsèque de 200 kHz. Les chercheurs ont également montré plus du double du nombre de lignes de peigne dépassant 100 μW et des niveaux de puissance sur puce d’un ordre de grandeur supérieurs à tous les résultats précédemment rapportés.
Researchers said:
« Notre nouvelle source de micropeigne alimentée électriquement possède la taille, la puissance et la largeur de ligne requises pour les communications de données, et pourrait avoir un impact majeur sur d’autres domaines tels que le calcul haute performance et les dispositifs omniprésents pour la détection spectrale et les applications de chronométrage. »
Cette percée survient à un moment où le boom de l’IA provoque une augmentation explosive de la demande de capacité des centres de données. Cela met à rude épreuve leurs infrastructures, qui peinent à transmettre l’information rapidement. En conséquence, les entreprises construisent des infrastructures spécialisées pour l’IA afin de gérer les exigences computationnelles massives liées à l’entraînement et à l’exécution de grands modèles d’IA.
Déjà, les liaisons à fibre optique sont utilisées par les centres de données avancés pour transporter les données, mais même elles dépendent de lasers à longueur d’onde unique.
En ayant des dizaines de faisceaux fonctionnant en parallèle à travers la même fibre unique, au lieu d’un seul faisceau transportant un seul flux de données, les peignes de fréquence peuvent améliorer de façon spectaculaire les capacités des centres de données.
Ce même principe était à la base du WDM, ou multiplexage en division de longueur d’onde, une technologie à fibre optique qui envoie simultanément plusieurs flux de données sur une seule fibre optique en attribuant à chaque flux une longueur d’onde lumineuse unique, augmentant ainsi de façon significative la capacité de données et permettant une bande passante plus élevée. Le WDM a aidé Internet à devenir un réseau mondial à haute vitesse à la fin des années 1990.
Aujourd’hui, l’équipe de Lipson fabrique des peignes à haute puissance et multi‑longueurs d’onde si petits qu’ils peuvent être intégrés directement sur une puce. Cette réalisation rendra possible l’introduction de cette capacité dans les parties des systèmes informatiques modernes qui sont compactes et coûteuses.
De cette manière, les puces peuvent changer le fonctionnement des centres de données en rationalisant la transmission et le traitement de l’information, influençant la conception des centres de données de prochaine génération et de nombreux autres appareils dépendant d’une communication optique efficace. Ces mêmes puces pourraient également permettre des systèmes LiDAR avancés, des dispositifs quantiques compacts, des horloges optiques extrêmement précises et des spectromètres portables.
« Il s’agit d’amener des sources de lumière de niveau laboratoire dans des appareils du monde réel. Si vous pouvez les rendre puissantes, efficaces et suffisamment petites, vous pouvez les placer presque partout. »
– Gil‑Molina
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| Source | Intégration | Puissance totale du peigne sur puce | Lignes >100 μW | Largeur de ligne intrinsèque (par ligne) | Technique clé |
|---|---|---|---|---|---|
| Columbia Engineering (2025) | Diode laser multimode + résonateur SiN (sur puce) | ~0.16 W (≈160 mW) | ≥25 | ~200 kHz | Verrouillage par auto‑injection en régime non linéaire |
| Micropeignes intégrés antérieurs | Puce à gain + résonateur à Q élevée | Un ordre de grandeur plus faible | Moins de lignes au‑dessus de 100 μW | Varie (généralement plus large) | Divers (souvent puissance de pompage plus faible) |
Investir dans la technologie laser
Un leader mondial en photonique et technologies laser, Coherent Corp. (COHR ) produit des diodes laser à semi‑conducteur et des composants optiques haute performance.
Avec son activité principale centrée sur le développement et la fabrication de solutions basées sur la photonique, essentielles à l’ère actuelle de l’informatique avancée et de la transmission de données, Coherent s’est imposée comme une force dominante dans l’industrie des communications optiques et détient une part de marché importante.
Ses segments comprennent Networking, qui exploite sa technologie de semi‑conducteurs composés pour fournir des composants et sous‑systèmes, Materials, qui inclut des dispositifs optoélectroniques basés sur le carbure de silicium (SiC), le gallium antimonide (GaSb), le gallium arsenide (GaAs), le phosphure d’indium (InP), le séléniure de zinc (ZnSe) et le sulfure de zinc (ZnS), et le segment Lasers qui sert les clients industriels dans les domaines des semi‑conducteurs, de la fabrication de précision et de l’aérospatiale & défense, ainsi que d’autres secteurs grâce à ses produits lasers et optiques.
Coherent Corp. (COHR )
Grâce à sa large gamme de produits innovants basés sur la photonique, Coherent est capable d’offrir des solutions personnalisées et complètes à ses clients ainsi que de répondre aux besoins de scalabilité des infrastructures IA.
Son orientation stratégique vers le marché de l’IA place Coherent comme un bénéficiaire potentiel majeur de la croissance continue de l’IA. Cela s’ajoute à la demande croissante de composants optiques haute performance. Mais en même temps, l’entreprise fait face à des défis liés à une concurrence accrue tant dans le secteur de l’IA que dans les communications optiques.
En ce qui concerne la performance boursière de Coherent, elle connaît un moment haussier, similaire au marché boursier général. En hausse de 29,16 % cette année jusqu’à présent, les actions COHR se négocient actuellement à 123,70 $, au moment de la rédaction – un nouveau record historique (ATH) qui porte la capitalisation boursière de l’entreprise à 19,20 milliards de dollars.
(COHR )
En avril, les actions COHR étaient tombées à 50 $ suite à une correction du marché boursier, et depuis, les actions de Coherent ont rebondi d’environ 146 %. Il y a seulement deux ans, COHR se négociait sous les 30 $, ce qui représente une forte reprise.
Avec cela, l’entreprise affiche un BPA (TTM) de -0,62 et un PER (TTM) de -198,72.
Quant à la situation financière de Coherent, elle a déclaré un chiffre d’affaires record de 1,53 milliard de dollars pour le quatrième trimestre se terminant le 30 juin 2025. La marge brute GAAP pendant la période était de 35,7 % et la perte nette GAAP était de 0,83 $ par action diluée, tandis qu’en base non‑GAAP, sa marge brute était de 38,1 % et le revenu net par action diluée était de 1,00 $.
Pour l’exercice complet 2025, son chiffre d’affaires était également un record de 5,81 milliards de dollars. La marge brute GAAP était de 35,2 % et la perte nette GAAP de 0,52 $ par action diluée, tandis que la marge brute non‑GAAP était de 37,9 % et le revenu net par action diluée de 3,53 $.
According to CEO Jim Anderson:
« Nous avons réalisé un exercice 2025 solide avec une croissance du chiffre d’affaires de 23 % et une expansion du BPA non‑GAAP de 191 %. Nous pensons être bien positionnés pour continuer à générer une forte croissance du chiffre d’affaires et des bénéfices à long terme, compte tenu de notre exposition aux principaux moteurs de croissance tels que les centres de données IA. »
Au cours de ce trimestre, l’entreprise a commencé l’expédition de ses produits transceivers 1,6 T, permettant des applications de centres de données IA haute performance. Un nouveau matériau composite en diamant SiC a également été introduit pour le refroidissement avancé de ces centres de données.
De plus, Coherent a enregistré ses premiers revenus provenant du commutateur optique de circuit (OCS) et a présenté la plateforme laser excimer qui a été mise à jour pour la production à haute température de ruban supraconducteur destiné aux technologies énergétiques émergentes, comme la fusion.
Au cours des dernières semaines, Coherent a lancé plusieurs nouveaux produits, dont une série complète de circuits intégrés quadri‑canaux permettant des transceivers optiques plus efficaces et plus rapides pour l’IA et le cloud, la première solution QSFP28 Dual Laser 100G ZR de l’industrie pour maximiser la capacité sur les infrastructures de fibre existantes, et des lasers à onde continue de 400 mW haute puissance afin de répondre aux exigences exigeantes des optiques co‑emballées et des applications de photonique sur silicium.
Récemment, Coherent a démontré ses réseaux de VCSEL 2D de prochaine génération et de photodiodes (PD) pour répondre à la demande croissante de trafic de données dans les centres de données modernes.
Il y a quelques semaines, Coherent a conclu des amendements, incluant le refinancement des engagements de crédit renouvelable existants et l’augmentation du financement total à 700 millions de dollars, dans le cadre de son accord de crédit avec JPMorgan Chase Bank (JPM ) et d’autres prêteurs, améliorant la liquidité de l’entreprise et sa flexibilité financière pour soutenir les opérations et la croissance.
Conclusion
L’Université Columbia a réalisé une prouesse d’ingénierie, montrant comment des moments inattendus en science peuvent conduire à des découvertes encore plus grandes et meilleures, avec la capacité de redéfinir des domaines entiers. En transformant un seul faisceau désordonné en dizaines de canaux lumineux puissants et stables, l’équipe a posé les bases de la prochaine génération de systèmes optiques.
De la révolution du LiDAR et de la miniaturisation des dispositifs quantiques à l’augmentation de la capacité des centres de données alimentés par l’IA, cette technologie représente un bond majeur dans l’intégration photonique. Et à mesure que le monde progresse vers des systèmes de communication plus rapides et plus économes en énergie, les puces de peignes de fréquence compactes pourraient constituer la base de l’infrastructure informatique future.
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Références
- Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). High-power electrically pumped microcombs. Nature Photonics, 19(10), 873–879. Publié le 7 octobre 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z
Des chercheurs de Columbia Engineering ont créé une nouvelle puce capable de transformer un laser en un « peigne de fréquence », générant plusieurs canaux lumineux puissants simultanément.
En utilisant un mécanisme de verrouillage spécial, les chercheurs ont nettoyé la lumière laser désordonnée et ont atteint une précision de niveau laboratoire sur un petit dispositif en silicium. Cette réalisation peut améliorer considérablement l’efficacité des centres de données et stimuler les innovations en LiDAR, détection et technologies quantiques.
Les micropeignes réduisent la précision de niveau laboratoire à l’échelle d’une puce
Les chercheurs ont créé le dispositif micropeigne à haute puissance pour améliorer la technologie LiDAR (Light Detection and Ranging).
LiDAR est une technologie de télédétection qui utilise une lumière laser pulsée pour calculer les distances et créer des modèles 3D haute résolution de l’environnement. Il fonctionne comme le radar, mais utilise la lumière au lieu du son.
Le système émet des impulsions laser et mesure le temps de leur retour afin de déterminer des distances précises aux objets et de suivre le mouvement en temps réel.
Composé d’un laser, d’un scanner et d’un récepteur GPS spécialisé, un LiDAR instrument génère un « nuage de points » détaillé, qui est ensuite utilisé pour créer des cartes 3D pour des applications telles que la conduite autonome, la surveillance environnementale, le levé topographique et l’archéologie.
La technologie a été inventée dans les années 1960, initialement appliquée à la météorologie, à la détection océanique et à la cartographie topographique, avant d’être étendue à l’espace par la NASA. Dans les années 2010, les automobiles commerciales ont commencé à utiliser le LiDAR, et depuis, le LiDAR automobile est devenu très populaire dans les voitures électriques haut de gamme.
Compte tenu de l’augmentation des applications du LiDAR, les chercheurs travaillent constamment à améliorer la technologie. De nombreuses innovations passionnantes des technologies laser sont intégrées à l’optique avancée, permettant une miniaturisation supplémentaire et promettant un avenir à long terme pour les systèmes LiDAR.
L’objectif des chercheurs de la Columbia University School of Engineering and Applied Science était de trouver un moyen d’extraire une puissance plus élevée et une pureté spectrale supérieure à partir de systèmes laser compacts afin de permettre la génération de peignes de fréquence à l’échelle de puce pour améliorer les communications, la détection, la spectroscopie, le LiDAR et d’autres applications photoniques intégrées.
Ainsi, ils ont créé un micropeigne, un dispositif photonique miniature qui produit une série de fréquences optiques régulièrement espacées, comme les dents d’un peigne, sur une puce.
Ces peignes de fréquence miniatures intégrés ont le potentiel de réduire la taille des systèmes complexes traditionnellement nécessaires pour de telles applications. Ainsi, les micropeignes intégrés sont prometteurs pour de nombreuses applications nécessitant une puissance de sortie élevée, une empreinte réduite et une grande efficacité, comme la spectroscopie, la détection et les communications de données.
Récemment, les chercheurs ont démontré des micropeignes alimentés électriquement grâce à l’intégration de puces à gain (éléments optiques semi-conducteurs) avec des résonateurs de pointe. Mais leur puissance optique globale reste bien inférieure à ce dont les solutions pratiques ont besoin.
Cette limitation a été résolue par les chercheurs de Columbia qui ont démontré des micropeignes à fréquence Kerr alimentés électriquement et à haute puissance.
Des diodes « désordonnées » aux micropeignes propres
Curieusement, il s’agissait d’une découverte accidentelle. Il y a quelques années, des chercheurs du laboratoire du co‑auteur Michal Lipson, professeur Eugene Higgins d’ingénierie électrique et professeur de physique appliquée, travaillaient sur un projet visant à améliorer les capacités du LiDAR lorsqu’ils ont remarqué quelque chose d’incroyable.
Ils concevaient des puces à haute puissance capables de générer des faisceaux lumineux plus brillants, et « à mesure que nous augmentions la puissance traversant la puce, nous avons remarqué qu’elle créait ce que nous appelons un peigne de fréquence », a déclaré Andres Gil‑Molina, ancien postdoc dans le laboratoire de Lipson et actuellement ingénieur principal chez Xscape Photonics.
Un peigne de fréquence est un spectre composé de lignes spectrales discrètes et régulièrement espacées. Cela signifie que ce type spécial de lumière contient différentes couleurs alignées les unes à côté des autres de manière ordonnée, comme on le voit dans un arc‑en‑ciel.
Ici, des dizaines de fréquences lumineuses brillent. Mais les espaces entre ces différentes couleurs ou fréquences restent sombres. Ainsi, lorsqu’on observe ces différentes fréquences brillantes sur un spectrogramme, elles ressemblent à des pics ou à des dents de peigne, d’où le nom.
Étant donné que les différentes couleurs de lumière n’interfèrent pas entre elles, chaque dent agit comme son propre canal, offrant une opportunité incroyable d’envoyer plusieurs flux de données simultanément.
Bien que très bénéfique, créer un peigne de fréquence puissant nécessite des lasers et amplificateurs grands et coûteux.
Publié dans Nature Photonics1, l’article détaille comment la même chose peut être réalisée sur une seule puce.
« La technologie que nous avons développée prend un laser très puissant et le transforme en dizaines de canaux propres et à haute puissance sur une puce. Cela signifie que vous pouvez remplacer des racks de lasers individuels par un seul dispositif compact, réduisant les coûts, économisant de l’espace et ouvrant la voie à des systèmes beaucoup plus rapides et plus économes en énergie. »
– Gil‑Molina
Non seulement cette recherche peut répondre à la demande énorme des centres de données en sources lumineuses puissantes et efficaces contenant de nombreuses longueurs d’onde, mais elle représente également une étape importante dans la mission de l’équipe d’avancer la photonique sur silicium.
Connue pour permettre un transfert de données nettement plus rapide tout en consommant moins d’énergie et en générant moins de chaleur que les circuits électroniques traditionnels, la photonique sur silicium a trouvé des applications dans les centres de données à haute vitesse, l’IA, le LiDAR, les technologies quantiques, l’IoT et la 5G.
La photonique sur silicium intègre des composants basés sur la lumière sur une puce en silicium en utilisant les processus de fabrication CMOS standard pour créer des circuits photoniques intégrés (PIC). Elle utilise des plaquettes silicon‑on‑insulator (SOI) comme plateforme semi‑conductrice pour former des guides d’ondes et d’autres composants qui dirigent la lumière pour une communication plus rapide, plus économe en énergie et des dispositifs plus petits et plus rentables.
« À mesure que cette technologie devient de plus en plus centrale pour les infrastructures critiques et notre vie quotidienne, ce type de progrès est essentiel pour garantir que les centres de données soient aussi efficaces que possible. »
– Lipson
Comment le verrouillage par auto‑injection nettoie et multiplie la lumière
Quel est le laser le plus puissant pouvant être intégré sur une puce ? Cette question a conduit les chercheurs à leur percée.
L’équipe de Columbia a choisi une diode laser multimode. Une diode laser (LD) est un dispositif semi‑conducteur qui produit une lumière monochrome à une longueur d’onde spécifique. Les diodes laser multimodes, ou lasers à large zone (BAL), offrent des puissances de sortie plus élevées et sont idéales lorsque l’on nécessite une puissance optique élevée et que la qualité du faisceau est moins critique.
Ces dispositifs produisent un faisceau plus large, ce qui réduit la qualité du faisceau mais augmente la densité de puissance. Les diodes laser multimodes sont largement utilisées dans des applications telles que les dispositifs médicaux, l’impression et l’imagerie, ainsi que les outils de découpe laser.
Tout en produisant d’énormes quantités de lumière, le faisceau de ces lasers est « désordonné », ce qui rend difficile son utilisation pour des applications précises.
Intégrer une diode laser multimode dans une puce de photonique sur silicium, où les voies lumineuses ne mesurent que quelques micromètres (μm) voire quelques centaines de nanomètres (nm), nécessite toutefois une ingénierie minutieuse.
Pour purifier cette source de lumière puissante mais très bruyante, l’équipe a utilisé un mécanisme de verrouillage.
Le verrouillage par auto‑injection a été employé dans le régime non linéaire pour générer des peignes à haute puissance sur puce et purifier simultanément la cohérence de la source de pompage.
Le verrouillage par injection est l’effet de fréquence qui peut se produire lorsqu’un oscillateur est perturbé par un second oscillateur fonctionnant à une fréquence proche. Lorsque les fréquences sont suffisamment proches et que le couplage est fort, le second oscillateur peut capturer le premier, le faisant adopter essentiellement la même fréquence que le second.
Cette technique est principalement appliquée aux sources laser à onde continue (CW) à fréquence unique lorsqu’une sortie haute puissance est requise, en combinaison avec un bruit d’intensité et de phase très faibles.
Elle repose sur la photonique sur silicium pour remodeler et nettoyer la sortie du laser, générant un faisceau plus stable et plus propre, ce que l’on appelle une haute cohérence. Une fois la lumière purifiée, les propriétés optiques non linéaires de la puce prennent le relais, divisant le faisceau unique puissant en dizaines de couleurs régulièrement espacées, ce qui constitue la caractéristique clé d’un peigne de fréquence.
La source lumineuse compacte et à haute efficacité qui en résulte combine la puissance brute d’un laser industriel avec la stabilité et la précision requises pour les communications et la détection avancées.
La source à faible cohérence a été intégrée avec une puissance de sortie élevée et des résonateurs à anneau en nitrure de silicium. Les résonateurs sont conçus avec une dispersion de vitesse de groupe normale, ce qui signifie que la vitesse diminue à mesure que la fréquence optique augmente. Cela se produit lorsque les longueurs d’onde plus longues voyagent plus rapidement que les plus courtes dans un milieu, entraînant l’étalement des impulsions optiques dans le temps.
Les micropeignes créés par l’équipe ont atteint des niveaux de puissance totale sur puce allant jusqu’à 158 mW. Les lignes du peigne, quant à elles, présentaient une largeur intrinsèque de 200 kHz. Les chercheurs ont également montré plus du double du nombre de lignes de peigne dépassant 100 μW et des niveaux de puissance sur puce d’un ordre de grandeur supérieurs à tous les résultats précédemment rapportés.
Researchers said:
« Notre nouvelle source de micropeigne alimentée électriquement possède la taille, la puissance et la largeur de ligne requises pour les communications de données, et pourrait avoir un impact majeur sur d’autres domaines tels que le calcul haute performance et les dispositifs omniprésents pour la détection spectrale et les applications de chronométrage. »
Cette percée survient à un moment où le boom de l’IA provoque une augmentation explosive de la demande de capacité des centres de données. Cela met à rude épreuve leurs infrastructures, qui peinent à transmettre l’information rapidement. En conséquence, les entreprises construisent des infrastructures spécialisées pour l’IA afin de gérer les exigences computationnelles massives liées à l’entraînement et à l’exécution de grands modèles d’IA.
Déjà, les liaisons à fibre optique sont utilisées par les centres de données avancés pour transporter les données, mais même elles dépendent de lasers à longueur d’onde unique.
En ayant des dizaines de faisceaux fonctionnant en parallèle à travers la même fibre unique, au lieu d’un seul faisceau transportant un seul flux de données, les peignes de fréquence peuvent améliorer de façon spectaculaire les capacités des centres de données.
Ce même principe était à la base du WDM, ou multiplexage en division de longueur d’onde, une technologie à fibre optique qui envoie simultanément plusieurs flux de données sur une seule fibre optique en attribuant à chaque flux une longueur d’onde lumineuse unique, augmentant ainsi de façon significative la capacité de données et permettant une bande passante plus élevée. Le WDM a aidé Internet à devenir un réseau mondial à haute vitesse à la fin des années 1990.
Aujourd’hui, l’équipe de Lipson fabrique des peignes à haute puissance et multi‑longueurs d’onde si petits qu’ils peuvent être intégrés directement sur une puce. Cette réalisation rendra possible l’introduction de cette capacité dans les parties des systèmes informatiques modernes qui sont compactes et coûteuses.
De cette manière, les puces peuvent changer le fonctionnement des centres de données en rationalisant la transmission et le traitement de l’information, influençant la conception des centres de données de prochaine génération et de nombreux autres appareils dépendant d’une communication optique efficace. Ces mêmes puces pourraient également permettre des systèmes LiDAR avancés, des dispositifs quantiques compacts, des horloges optiques extrêmement précises et des spectromètres portables.
« Il s’agit d’amener des sources de lumière de niveau laboratoire dans des appareils du monde réel. Si vous pouvez les rendre puissantes, efficaces et suffisamment petites, vous pouvez les placer presque partout. »
– Gil‑Molina
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| Source | Intégration | Puissance totale du peigne sur puce | Lignes >100 μW | Largeur de ligne intrinsèque (par ligne) | Technique clé |
|---|---|---|---|---|---|
| Columbia Engineering (2025) | Diode laser multimode + résonateur SiN (sur puce) | ~0.16 W (≈160 mW) | ≥25 | ~200 kHz | Verrouillage par auto‑injection en régime non linéaire |
| Micropeignes intégrés antérieurs | Puce à gain + résonateur à Q élevée | Un ordre de grandeur plus faible | Moins de lignes au‑dessus de 100 μW | Varie (généralement plus large) | Divers (souvent puissance de pompage plus faible) |
Investir dans la technologie laser
Un leader mondial en photonique et technologies laser, Coherent Corp. (COHR ) produit des diodes laser à semi‑conducteur et des composants optiques haute performance.
Avec son activité principale centrée sur le développement et la fabrication de solutions basées sur la photonique, essentielles à l’ère actuelle de l’informatique avancée et de la transmission de données, Coherent s’est imposée comme une force dominante dans l’industrie des communications optiques et détient une part de marché importante.
Ses segments comprennent Networking, qui exploite sa technologie de semi‑conducteurs composés pour fournir des composants et sous‑systèmes, Materials, qui inclut des dispositifs optoélectroniques basés sur le carbure de silicium (SiC), le gallium antimonide (GaSb), le gallium arsenide (GaAs), le phosphure d’indium (InP), le séléniure de zinc (ZnSe) et le sulfure de zinc (ZnS), et le segment Lasers qui sert les clients industriels dans les domaines des semi‑conducteurs, de la fabrication de précision et de l’aérospatiale & défense, ainsi que d’autres secteurs grâce à ses produits lasers et optiques.
Coherent Corp. (COHR )
Grâce à sa large gamme de produits innovants basés sur la photonique, Coherent est capable d’offrir des solutions personnalisées et complètes à ses clients ainsi que de répondre aux besoins de scalabilité des infrastructures IA.
Son orientation stratégique vers le marché de l’IA place Coherent comme un bénéficiaire potentiel majeur de la croissance continue de l’IA. Cela s’ajoute à la demande croissante de composants optiques haute performance. Mais en même temps, l’entreprise fait face à des défis liés à une concurrence accrue tant dans le secteur de l’IA que dans les communications optiques.
En ce qui concerne la performance boursière de Coherent, elle connaît un moment haussier, similaire au marché boursier général. En hausse de 29,16 % cette année jusqu’à présent, les actions COHR se négocient actuellement à 123,70 $, au moment de la rédaction – un nouveau record historique (ATH) qui porte la capitalisation boursière de l’entreprise à 19,20 milliards de dollars.
(COHR )
En avril, les actions COHR étaient tombées à 50 $ suite à une correction du marché boursier, et depuis, les actions de Coherent ont rebondi d’environ 146 %. Il y a seulement deux ans, COHR se négociait sous les 30 $, ce qui représente une forte reprise.
Avec cela, l’entreprise affiche un BPA (TTM) de -0,62 et un PER (TTM) de -198,72.
Quant à la situation financière de Coherent, elle a déclaré un chiffre d’affaires record de 1,53 milliard de dollars pour le quatrième trimestre se terminant le 30 juin 2025. La marge brute GAAP pendant la période était de 35,7 % et la perte nette GAAP était de 0,83 $ par action diluée, tandis qu’en base non‑GAAP, sa marge brute était de 38,1 % et le revenu net par action diluée était de 1,00 $.
Pour l’exercice complet 2025, son chiffre d’affaires était également un record de 5,81 milliards de dollars. La marge brute GAAP était de 35,2 % et la perte nette GAAP de 0,52 $ par action diluée, tandis que la marge brute non‑GAAP était de 37,9 % et le revenu net par action diluée de 3,53 $.
According to CEO Jim Anderson:
« Nous avons réalisé un exercice 2025 solide avec une croissance du chiffre d’affaires de 23 % et une expansion du BPA non‑GAAP de 191 %. Nous pensons être bien positionnés pour continuer à générer une forte croissance du chiffre d’affaires et des bénéfices à long terme, compte tenu de notre exposition aux principaux moteurs de croissance tels que les centres de données IA. »
Au cours de ce trimestre, l’entreprise a commencé l’expédition de ses produits transceivers 1,6 T, permettant des applications de centres de données IA haute performance. Un nouveau matériau composite en diamant SiC a également été introduit pour le refroidissement avancé de ces centres de données.
De plus, Coherent a enregistré ses premiers revenus provenant du commutateur optique de circuit (OCS) et a présenté la plateforme laser excimer qui a été mise à jour pour la production à haute température de ruban supraconducteur destiné aux technologies énergétiques émergentes, comme la fusion.
Au cours des dernières semaines, Coherent a lancé plusieurs nouveaux produits, dont une série complète de circuits intégrés quadri‑canaux permettant des transceivers optiques plus efficaces et plus rapides pour l’IA et le cloud, la première solution QSFP28 Dual Laser 100G ZR de l’industrie pour maximiser la capacité sur les infrastructures de fibre existantes, et des lasers à onde continue de 400 mW haute puissance afin de répondre aux exigences exigeantes des optiques co‑emballées et des applications de photonique sur silicium.
Récemment, Coherent a démontré ses réseaux de VCSEL 2D de prochaine génération et de photodiodes (PD) pour répondre à la demande croissante de trafic de données dans les centres de données modernes.
Il y a quelques semaines, Coherent a conclu des amendements, incluant le refinancement des engagements de crédit renouvelable existants et l’augmentation du financement total à 700 millions de dollars, dans le cadre de son accord de crédit avec JPMorgan Chase Bank (JPM ) et d’autres prêteurs, améliorant la liquidité de l’entreprise et sa flexibilité financière pour soutenir les opérations et la croissance.
Conclusion
L’Université Columbia a réalisé une prouesse d’ingénierie, montrant comment des moments inattendus en science peuvent conduire à des découvertes encore plus grandes et meilleures, avec la capacité de redéfinir des domaines entiers. En transformant un seul faisceau désordonné en dizaines de canaux lumineux puissants et stables, l’équipe a posé les bases de la prochaine génération de systèmes optiques.
De la révolution du LiDAR et de la miniaturisation des dispositifs quantiques à l’augmentation de la capacité des centres de données alimentés par l’IA, cette technologie représente un bond majeur dans l’intégration photonique. Et à mesure que le monde progresse vers des systèmes de communication plus rapides et plus économes en énergie, les puces de peignes de fréquence compactes pourraient constituer la base de l’infrastructure informatique future.
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Références
- Gil-Molina, A., Antman, Y., Westreich, O., et al. (2025). High-power electrically pumped microcombs. Nature Photonics, 19(10), 873–879. Publié le 7 octobre 2025. https://doi.org/10.1038/s41566-025-01769-z
