Qu'est-ce que la photonique sur silicium ?

La photonique sur silicium (SiPh) est une plateforme pour la construction de circuits intégrés photoniques (PIC) pour la communication optique, le transfert de données à grande vitesse et les capteurs photoniques. Le matériau du substrat semi-conducteur est une tranche de silicium sur isolant (SOI). Des processus de fabrication de semi-conducteurs standard sont utilisés pour créer des composants sur une couche photonique à partir de silicium (Si), qui est transparent à la lumière infrarouge. Du dioxyde de silicium (SiO₂) ou de l'air est placé autour du silicium pour créer une différence d'indice de réfraction élevée, ce qui provoque un déplacement de la lumière dans les composants à travers le circuit avec très peu de pertes.

Les circuits intégrés photoniques sur puce sont très compacts, consomment moins d'énergie et fonctionnent à des vitesses plus élevées (plus de 100 Gbit/s) que les dispositifs photoniques traditionnels, transférant les informations plus rapidement et plus efficacement que les circuits électriques. Ces avantages, combinés à la possibilité d'utiliser des techniques de fabrication de CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire) standard, entraînent l'augmentation rapide du nombre de puces de photonique sur silicium.

Au milieu des années 1980, les chercheurs ont proposé de placer des circuits conçus pour les photons sur la même puce que des circuits conçus pour les électrons. Les circuits photoniques émettent, modulent, commutent, amplifient et détectent la lumière. Les puces de silicium intégrées optoélectroniques monolithiques étaient rares jusqu'au développement du modulateur en silicium en 2005, et la largeur de raie disponible avec les nouveaux processus de fabrication est devenue suffisamment mince pour construire des guides d'ondes nécessaires pour les circuits photoniques.

Tout comme les puces électroniques sont fixées à des circuits externes avec des boîtiers à billes ou des fils, ce sont des fibres optiques qui conduisent la lumière à l'intérieur et à l'extérieur des puces photoniques. En raison de leur fréquence plus élevée et de leur bande passante plus importante, ces interconnexions optiques peuvent transférer plus de données à des vitesses plus élevées que les interconnexions électriques.

Des lasers sont ensuite ajoutés au circuit pour créer de la lumière, ainsi que des photodétecteurs dans un circuit récepteur pour mesurer l'énergie, la fréquence et d'autres caractéristiques des photons. L'électricité est fournie à chaque dispositif ou extraite de celui-ci à l'aide de techniques traditionnelles de circuits intégrés. L'électronique pour convertir le signal lumineux en signal électrique peut se trouver sur la même puce ou dans un système électronique distinct. Ces détecteurs et émetteurs sont combinés à des dispositifs intégrés pour moduler (c.-à-d. modifier une caractéristique mesurable), commuter et amplifier la lumière afin d'exécuter des fonctions critiques dans les réseaux optiques, de faciliter le transfert de données à grande vitesse ou de mesurer des propriétés physiques à l'échelle micro ou macro.

Voici certains des composants photoniques les plus courants utilisés :

1. Guides d'ondes : les « fils » dans un circuit photonique que les photons parcourent. La section transversale, la rugosité de surface et le rayon de courbure d'un guide d'ondes peuvent avoir un impact considérable sur le déplacement de la lumière à l'intérieur du guide d'ondes.
2. Modulateurs optiques : composants qui modifient les caractéristiques de phase, d'amplitude, de polarisation, d'espacement et de diffraction d'un faisceau lumineux pour coder des informations dans le faisceau.
3. Sources lumineuses : lasers à semi-conducteurs de différents types qui créent de la lumière dans le circuit. Les lasers ne sont pas à base de silicium mais utilisent plutôt des semi-conducteurs composés III-V. Ils peuvent être externes ou intégrés dans la même puce que le circuit intégré photonique.
4. Récepteurs : photodétecteurs qui absorbent des photons et convertissent les informations codées dans la lumière en un signal électrique.
5. Commutateurs optiques : dispositifs qui dirigent la lumière en utilisant la température, l'interaction avec d'autres sources lumineuses et la microcavitation. Les commutateurs optiques peuvent être beaucoup plus rapides que les commutateurs mécaniques, microélectromécaniques (microsystèmes électromécaniques) ou électriques.
6. Filtres : il s'agit d'une grande variété de composants qui utilisent une série de propriétés physiques de la lumière pour la faire traverser à une gamme de fréquences souhaitée. La fréquence est réglée par géométrie dans les filtres passifs et par une énergie électrique pour les filtres actifs.
7. Coupleurs : appareils qui divisent ou combinent des signaux optiques.

De par sa haute performance, la photonique sur silicium a permis de remplacer la commutation électrique ou électromécanique dans les communications et les interconnexions électriques dans les boîtiers et les composants informatiques, ainsi que de contrôler les capteurs optiques tels que le capteur LiDAR. Cette technologie peut compléter les solutions existantes en fournissant une étape photonique dans un système autrement électronique, tel que des émetteurs-récepteurs monopuce pour fibres optiques et des applications complexes de traitement de signaux où la photonique est plus efficace.

L'utilisation de la lumière pour transporter des informations présente des avantages significatifs par rapport aux électrons, aux ondes radio ou aux micro-ondes. La fréquence plus élevée de la lumière et ses multiples modalités (fréquence, amplitude, phase, etc.) permettent de transmettre plus d'informations avec une faible consommation d'énergie. Ces avantages sont multipliés lorsque les dispositifs photoniques sont intégrés dans la même puce que l'électronique nécessaire à leur fonctionnement, ce qui permet d'avoir recours à des processus de fabrication en série à faible coût.

Cette technologie combinant des composants optiques avec des circuits électriques sur la même puce, les dispositifs optoélectroniques peuvent être conditionnés dans un format plus petit que les solutions optiques et électriques séparées. Du fait que la lumière traverse les guides d'ondes avec très peu de pertes et les appareils photoniques au silicium étant microscopiques, ces derniers consomment moins d'énergie que les appareils optoélectriques ou que les appareils optiques autonomes.

Cependant, l'avantage le plus significatif de la photonique sur silicium est son utilisation des systèmes de fabrication CMOS existants. Les fabricants de semi-conducteurs du monde entier créent plus d'un billion de puces de divers types par an. Les entreprises exploitent les outils utilisés pour concevoir, fabriquer, conditionner et tester du matériel semi-conducteur pour la technologie de photonique sur silicium. De nombreuses fonderies de semi-conducteurs établissent des normes pour les conceptions d'intégration photonique, permettant un développement de nouveaux produits plus rapide, moins coûteux et plus robuste.

Même avec les techniques de fabrication de pointe actuellement disponibles dans l'écosystème de la photonique sur silicium, de nombreux défis subsistent lorsqu'il s'agit d'étendre l'éventail d'applications de cette technologie. Certains résultent de la physique fondamentale, et les limitations de la fabrication en créent d'autres. Les entreprises et les universités mènent des recherches fondamentales et pratiques pour comprendre et surmonter ces défis.

Bien que l'utilisation de tranches de SOI simplifie la fabrication, le silicium limite la fréquence de la lumière utilisée, et le matériau ne peut pas être utilisé pour fabriquer des lasers et d'autres composants nécessaires. Par conséquent, les chercheurs trouvent des moyens d'inclure de nouveaux matériaux tels que le nitrure de silicium (SiN) et le phosphure d'indium (InP) pour élargir la gamme de longueurs d'onde. D'autres recherches portent sur l'intégration de matériaux III-V comme l'arséniure de gallium (GaAs) dans le flux de production pour construire des sources lumineuses sur puce.

Les pertes d'énergie dans les circuits photoniques sont un autre défi que les concepteurs doivent comprendre et contrôler. Même pour quelque chose d'aussi simple que le rayon de courbure d'un guide d'ondes optique, on sacrifie l'énergie au profit de la compacité. De même, décider quel type de modulateurs optiques ou de filtres utiliser peut être difficile. En s'attaquant à l'application de la photonique sur silicium dans le domaine de la détection, les chercheurs doivent surmonter les limitations de sensibilité et de miniaturisation.

Bien que moins élevé que d'autres alternatives, le coût des dispositifs qui reposent sur la SiPh est encore trop important pour une adoption massive. Actuellement, des millions de puces sont fabriquées à l'aide de cette technologie. Les composants photoniques devront passer à des milliards de puces par an pour réduire les coûts et parvenir à une adoption généralisée dans des endroits comme les centres de données et les réseaux de télécommunications.

Les besoins du système optique doivent également être équilibrés avec les exigences du côté électronique de l'optoélectronique. Si l'électronique est sur la même puce, l'approche de fabrication doit être d'équilibrer les besoins de chaque type de traitement de signal. Ou, si une électronique séparée est utilisée, des techniques avancées de conditionnement de semi-conducteurs sont généralement utilisées pour connecter les deux. Dans les deux approches, le dégagement de chaleur dans l'électronique peut avoir un impact sur la photonique.

La compacité, le coût relativement faible, l'efficacité énergétique et la faible latence des solutions optiques créées avec la photonique sur silicium les rendent applicables à une gamme croissante d'applications. Son utilisation la plus courante est le transfert de données à grande vitesse sur fibre optique. Des entreprises comme Intel se concentrent sur l'amélioration des capacités des puces d'émetteur-récepteur optique pour les rendre disponibles pour un plus large éventail d'applications. De nombreuses puces sont utilisées dans les routeurs optiques et les processeurs de signaux qui mettent en réseau les ordinateurs.

Le réseautage optique entre les nœuds et les interconnexions optiques au sein d'un nœud donné peuvent augmenter considérablement la vitesse de calcul pour les applications haute performance telles que l'intelligence artificielle, le minage de bitcoins et les jumeaux numériques. À mesure que la vitesse de calcul des processeurs augmente, la bande passante pour le transfert de données devient un goulot d'étranglement, qui peut être soulagé grâce à la photonique sur silicium.

Voici quelques applications émergentes qui exploitent la technologie SiPh pour les composants photoniques :

• Capteurs photoniques : les capteurs SiPh peuvent mesurer de petits changements d'indice de réfraction provoqués lorsque la lumière traverse un échantillon. Ces changements peuvent identifier des biomarqueurs spécifiques dans des échantillons biologiques ou environnementaux.
• LiDAR : les appareils de télédétection par laser envoient une impulsion lumineuse et mesurent le temps de retour. Les solutions LiDAR exploitant la photonique sur silicium sont plus compactes, consomment moins d'énergie et sont moins coûteuses à fabriquer que les systèmes construits à partir de composants discrets.
• Informatique quantique et réseautage : les ordinateurs quantiques utilisent des photons pour effectuer des calculs. La gestion de la lumière dans et entre les ordinateurs quantiques bénéficie de la vitesse, de la précision et du faible coût des circuits intégrés photoniques.

Depuis son introduction dans les années 1980, le rôle des composants à base de photonique sur silicium s'est amplifié et ne se limite plus à la prise en charge des fonctionnalités de base pour la communication par fibre optique pour les télécommunications. Au fil du temps, l'utilisation de la photonique sur silicium s'est étendue, passant à l'informatique et maintenant aux capteurs optiques. Les fabricants fournissent des fonderies aux entreprises ne disposant pas d'usine, apportant la technologie à un plus large éventail d'applications. Avec l'augmentation des capacités de fabrication et un nombre croissant d'applications, les outils de conception et de simulation se sont améliorés pour prendre en charge des conceptions plus complexes et plus efficaces.

La prochaine génération de dispositifs monolithiques, qui comprend des circuits intégrés électroniques et photoniques, tirera parti des méthodes de fabrication hybrides qui introduisent des matériaux au-delà du silicium dans les dispositifs. Ces dispositifs seront également fabriqués selon des méthodes plus précises et présenteront des largeurs de trait plus petites, et le conditionnement des semi-conducteurs sera réalisé à l'aide de méthodes avancées. Ces changements augmenteront la bande passante et la vitesse de transfert des données dans les applications de communication de données et de calcul haute performance et révolutionneront potentiellement la technologie de détection optique.

Ressources connexes