Qu'est-ce qu'un circuit intégré photonique ?

Un circuit intégré photonique (PIC), également appelé circuit optique planaire ou circuit optique intégré, est une micropuce composée de deux ou plusieurs composants connectés, créant un circuit qui génère, transporte, modifie ou mesure la lumière. À la différence des circuits intégrés électroniques qui utilisent des électrons, le fonctionnement des PIC s'appuie sur les photons. Les informations contenues dans les PIC sont créées, modifiées et mesurées sous la forme d'un signal optique de lumière, avec des longueurs d'onde situées dans le spectre visible ou proche infrarouge.

Grâce aux progrès réalisés dans la fabrication des PIC et la conception de leurs composants, les dispositifs photoniques ne sont plus réservés aux communications. Ils s'étendent désormais aux instruments biomédicaux, au traitement du signal, à l'informatique quantique et à une grande variété de capteurs. Les avancées en matière de conception, de simulation et de fabrication poussent toujours plus loin la miniaturisation de la technologie, accroissant également la capacité de puce, la vitesse et la précision. 

Si les circuits intégrés électroniques (CI) sont essentiellement constitués de silicium, la plupart des puces photoniques combinent des cristaux électro-optiques, tels que le nitrure de silicium (SiN), le niobate de lithium, l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium (InP). Des composants optiques à base de silicium peuvent être créés à l'aide d'un procédé de fabrication standard de semi-conducteur métal-oxyde complémentaire (CMOS), appelé photonique sur silicium (SiPh), employant du silicium sur isolant. 

Les circuits des PIC présentent d'importantes variations, qui dépendent des tâches attendues de chaque dispositif. Les ingénieurs disposent les composants photoniques de sorte à modifier et mesurer les signaux lumineux circulant dans le circuit. L'intégration photonique sur une seule puce fournit des solutions hautes performances dans un boîtier réduit, à faible consommation d'énergie. La valeur d'un PIC augmente avec le nombre de fonctions assurées par une même puce, la complexité du circuit et la densité des composants allant également croissant. 

La plupart des composants entrent dans l'une des grandes catégories suivantes : source, porteur de signal, amplificateur, modulateur ou détecteur. Ils peuvent également être regroupés en composants passifs ou actifs. Les composants passifs n'ont pas d'entrées ni de sorties électriques, tandis que les composants actifs ont des entrées ou des sorties électriques permettant respectivement de moduler ou de détecter les photons. De nombreux composants de pointe sont constitués d'une combinaison de composants plus simples. 

Composants d'E/S photoniques

Les ingénieurs disposent de plusieurs techniques pour faire entrer la lumière dans un PIC et l'introduire dans le circuit. Un coupleur à réseau permet ainsi d'introduire la lumière perpendiculairement à la puce. Il est constitué d'une structure périodique, semblable à un réseau de diffraction, qui est gravée dans la puce photonique. Il ne nécessite pas d'alignement précis et peut être utilisé pour faire pénétrer la lumière depuis différents angles par rapport à la puce. La lumière peut également être directement insérée dans un guide d'ondes en aboutant un câble à fibre optique à la puce, généralement à l'aide d'un coupleur direct ou par la tranche. Cette approche nécessite un alignement précis et une liaison robuste entre la source lumineuse et le PIC.

Laser

Des sources de lumière laser peuvent être introduites dans un PIC en tant que composants actifs. Les PIC à base de phosphure d'indium permettent d'ajouter des composants laser dans le circuit photonique sous la forme d'une diode laser. 

Guide d'ondes

Les guides d'ondes assurent l'interconnexion entre les composants d'un circuit photonique. Ce sont des composants à faibles pertes qui transportent le signal optique à travers le réseau optique. Les guides d'ondes peuvent être planaires, à nervure ou à fente. Ils peuvent recevoir des signaux optiques couvrant une large gamme spectrale.

Modulateur/déphaseur

Les circuits photoniques ont couramment pour fonction de moduler ou décaler la phase d'un signal optique, en changeant l'indice de réfraction du matériau du composant à l'aide d'un signal électrique. Le plus souvent, la modulation dans le silicium est obtenue par la dispersion du plasma. Sous son effet, les changements de densité de porteurs libres par entrée électrique peuvent induire des changements dans l'indice de réfraction et moduler la lumière. 

Coupleur et répartiteur

Dans un circuit photonique, les signaux sont combinés dans un coupleur qui renferme au moins deux guides d'ondes d'entrée et synthétise le signal en une seule sortie. Autre possibilité, un signal multiplexé peut être réparti entre des guides d'ondes séparés, souvent en fonction de la longueur d'onde.

La séparation d'un signal multiplexé est communément réalisée à l'aide d'un dispositif à réseau de guides d'ondes matricé (AWG). Ce dispositif utilise des réseaux de différentes longueurs disposés en matrice pour former un multiplexeur en longueur d'onde, décomposant un signal multiplexé entrant en longueurs d'onde individuelles.

Filtre

Des structures interférométriques, telles que l'interféromètre de Mach-Zehnder ou le micro-résonateur en anneau, peuvent servir à bloquer ou laisser passer les longueurs d'onde définies. Les filtres se décomposent en filtres passe-bande et filtres coupe-bande. 

Amplificateur optique

Un PIC nécessite souvent d'amplifier un signal optique sans le modifier. L'amplitude de la lumière est augmentée au moyen de divers composants amplificateurs, certains électro-optiques et d'autres purement optiques. 

Photodétecteur

Étape incontournable de la conception, le signal optique transmis et modifié dans un PIC doit être mesuré. Un photodétecteur convertit l'énergie du photon en un signal électrique basé sur l'effet photoélectrique.  

Les circuits intégrés photoniques présentent des avantages similaires à ceux des circuits intégrés électroniques. En combinant plusieurs composants photoniques discrets sur une seule puce, ils en améliorent la taille, l'efficacité et les performances, ce qui contribue à en réduire le coût et facilite la production de masse. Leurs grands atouts sont les suivants :

• Consommation d'énergie réduite : Les circuits photoniques sont intrinsèquement plus efficients que les circuits électroniques. La résistance des circuits électriques entraîne une génération de chaleur accrue et une perte de puissance du signal plus importante que dans les PIC. 
• Réduction des coûts : Les PIC bénéficient d'économies d'échelle en utilisant des technologies de fabrication de semi-conducteurs standard, y compris les ressources partagées des fonderies. 
• Taille réduite : En comparaison de la technologie photonique discrète, les PIC offrent un encombrement nettement plus faible au sein des dispositifs photoniques. Il en résulte un coût et un encombrement réduits de l'équipement de communication de données. L'utilisation de PIC comme capteurs permet de créer des appareils de très petites dimensions faciles à monter dans des équipements ou à intégrer dans des dispositifs portables. 
• Intégration : L'un de leurs avantages les plus remarquables réside dans leur capacité à associer des circuits intégrés photoniques et une microélectronique à base de silicium. Les circuits électroniques et photoniques peuvent être combinés dans la même micropuce monolithique, ou connectés dans des boîtiers optoélectroniques avancés en utilisant une technologie avancée d'encapsulation de semi-conducteurs. 
• Fiabilité : Par rapport à la technologie photonique discrète, les modes de défaillance potentiels sont réduits ou complètement éliminés lorsque les composants sont intégrés dans une seule puce. En outre, la précision de la fabrication de semi-conducteurs permet de contrôler la variabilité matérielle et dimensionnelle. 

Les ingénieurs développent constamment de nouvelles applications pour les circuits intégrés photoniques. Outre leur petite taille, leur capacité à générer, modifier et lire des données sous forme de lumière les rend idéales pour un large éventail d'industries, telles que les communications, l'informatique, la détection et le traitement des données. 

Les applications les plus courantes sont notamment les suivantes :

Communications optiques

Les divers types de communications constituent le terrain d'élection des PIC. Les émetteurs-récepteurs PIC connectent les ordinateurs dans les centres de données, les antennes-relais, ou même plusieurs véhicules grâce au LiFi (Light Fidelity). Les PIC servent d'amplificateurs et de multiplexeurs pour la transmission de données via des réseaux à fibres optiques à grande vitesse ou pour connecter des processeurs dans des applications de calcul haute performance. 

LiDAR

La détection et télémétrie par la lumière (LiDAR) est une technologie de capteur qui utilise des impulsions de lumière laser pour cartographier l'emplacement d'objets physiques. Les PIC sont essentiels pour produire les impulsions lumineuses spécifiques envoyées par les capteurs LiDAR, ainsi que pour mesurer avec précision les signatures lumineuses renvoyées. Le développement des véhicules autonomes a favorisé l'adoption à grande échelle de la technologie LiDAR. 

Mesure de propriétés

Les capteurs de lumière qui contiennent des PIC peuvent mesurer la température, la composition chimique, l'emplacement, la vitesse, l'accélération, la pression, les vibrations et l'état de surface avec une extrême précision. Certains capteurs utilisent la lumière pour mesurer les caractéristiques physiques, tandis que d'autres allient des PIC à des spectromètres. 

Laboratoire sur puce

L'intégration de composants optiques sur une puce peut être exploitée dans la détection médicale pour miniaturiser un laboratoire chimique dans un minuscule boîtier unique, contenant des circuits intégrés électroniques et photoniques. La lumière permet de prendre des mesures dans des échantillons de fluide provenant d'un patient directement à son chevet, au lieu d'envoyer l'échantillon à un laboratoire où ils seront traités avec une multitude de dispositifs de diagnostic. 

Informatique quantique

Fondée sur le comportement quantique des photons, l'informatique quantique est une technologie en développement rapide. Les PIC y jouent un rôle décisif, en contrôlant et mesurant les états quantiques photoniques. Ils sont également utilisés dans la mise en réseau quantique entre plusieurs ordinateurs quantiques ou pour les connecter à des ordinateurs numériques. 

Intelligence artificielle et apprentissage automatique (IA/ML)

Les circuits intégrés photoniques occupent également une place centrale dans l'essor des applications de l'IA. On les retrouve essentiellement dans les communications optiques à l'intérieur ou entre des ordinateurs. Les chercheurs constatent également que certains algorithmes d'IA, en particulier les réseaux neuronaux, sont bien adaptés aux PIC. Ils utilisent par ailleurs l'IA/ML pour concevoir des PIC destinés à être utilisés dans des applications IA/ML, créant ainsi un cercle technologique vertueux. 

Les circuits intégrés photoniques sont des dispositifs complexes, dont la conception exige un processus d'ingénierie rigoureux et détaillé. Le comportement des photons, leurs interactions avec les matériaux et la modification de la fréquence, de l'amplitude et de la phase d'un signal lumineux impliquent une physique complexe. La conception de circuits photoniques apparaît ainsi comme une application parfaite pour la simulation, aidant les ingénieurs à prendre des décisions de conception et à en optimiser les performances et la robustesse. 

Les ingénieurs peuvent commencer par une simulation au niveau du circuit à l'aide d'un outil comme le logiciel Ansys Lumerical INTERCONNECT . Ils peuvent y représenter les circuits intégrés photoniques classiques et quantiques en tant que composants, exécuter des simulations avec des signaux d'entrée et examiner le signal à n'importe quel point du modèle. Le logiciel INTERCONNECT est compatible avec les bibliothèques d'appareils proposées par les principales fonderies. Il fonctionne avec les principaux outils et workflows d'automatisation de la conception électronique (EDA), et sa nature paramétrique facilite la réalisation d'études statistiques.

Chaque composant du circuit peut également être simulé et optimisé à l'aide d'outils tels que le logiciel Ansys Lumerical FDTD et le logiciel Ansys Lumerical MODE. Le logiciel FDTD est un solveur électromagnétique qui modélise avec précision la photonique des composants en tant qu'objets 3D. Le logiciel MODE permet d'examiner le comportement détaillé des guides d'ondes et des coupleurs. Une fois qu'une conception est finalisée, les résultats sont convertis en représentations dans une bibliothèque de modèles compacts sous des formats standard de l'industrie, permettant leur utilisation dans des outils de niveau système tels que le logiciel INTERCONNECT. 

Les ingénieurs doivent également prendre en considération l'impact de la génération de chaleur et du transport de charge sur les composants photoniques. Ils peuvent alors utiliser un outil comme le logiciel Ansys Lumerical Multiphysics pour mesurer comment les changements de température et les distributions de charges modifient l'indice de matériau dans la structure et, par conséquent, impactent les performances photoniques.

Ressources connexes