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RÉSUMÉ
Cet article traite de la technologie photonique intégrée sur silicium appliquée aux composants pour les réseaux à fibres optiques. Une revue des technologies présente l’attractivité de la photonique silicium avec le niveau d’intégration visé de quelques cm² pour transmetteurs/récepteurs de plus 100 Gbit/s. La réalisation de ces circuits photoniques est détaillée avec les données de fabrication micro-technologiques et l’environnement de conception numérique, jusqu’à la librairie de composants typiques disponibles avec leur niveau de performance. Une méthode démontrée d’intégration d’une source laser est présentée. L’article se conclut par l’application à la conception des modules pour les communications optiques.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Christophe KOPP : Chef de laboratoire - Université Grenoble Alpes, CEA, LETI, Grenoble, France
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Stéphane BERNABÉ : Expert photonique - Université Grenoble Alpes, CEA, LETI, Grenoble, France
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Charles BAUDOT : Expert photonique - STMicroelectronics, Crolles, France
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Guang-Hua DUAN : Ancien chef du groupe « Photonique sur silicium », III-V Lab, Palaiseau, France - Directeur général, 3SP Technologies, Nozay, France
INTRODUCTION
Depuis le début des années 1980, plusieurs technologies ont émergé pour la réalisation de circuits en optique intégrée avec comme objectif commun l’augmentation de la densité d’intégration de fonctions optiques sur une même puce, de façon analogue à l’évolution de la microélectronique intégrée. À partir des années 2000, la technologie dite « photonique sur silicium » a subi un réel essor en vue de répondre à terme au besoin croissant du réseau internet en composants d’émission et de réception à très haut débit sur fibre optique avec, à échéance 2020, plus de 2,3.1021 octets échangés par an à travers le monde, soit près de 1 gigaoctet par personne et par jour.
Un atout majeur de la photonique sur silicium est d’utiliser les moyens de fabrication de la microélectronique sur substrats (wafer) silicium. Ainsi, cette technologie bénéficie de la très haute précision des équipements de fabrication nécessaire à la performance et à la densification des circuits optiques. D’autre part, la production de plusieurs millions de pièces par an est rendue possible afin de répondre aux volumes attendus pour les réseaux de communications utilisant la fibre optique, depuis les centres de données, les fournisseurs d’accès internet, jusqu’au terminal chez l’abonné. Enfin, la cointégration hybride photonique-électronique est également accessible, d’abord pour obtenir un plus fort degré d’intégration, et à terme pour une plus forte pénétration de la photonique au cœur de la microélectronique.
La photonique sur silicium exploite les mêmes outils et méthodes de conception assistée par ordinateur que la microélectronique. Une librairie de composants élémentaires est proposée par les fondeurs de puces aux concepteurs. Associés à un modèle comportemental pour la simulation de circuits complexes, ces composants peuvent être utilisés dans un large éventail d’applications : technologies de l'information et de la communication, génération de fréquence microondes, radars optiques, capteurs optiques, biophotonique, imagerie, calcul haute performance et intelligence artificielle.
Cet article a pour objectif de positionner la technologie photonique sur silicium parmi les technologies représentant l’optique intégrée pour les circuits destinés aux communications haut débit sur fibre optique. Une description détaillée des blocs de fabrication présente les composants élémentaires disponibles, avec les performances typiques actuelles pour l’élaboration de circuits photoniques. En complément, sont présentés les environnements de conception et de simulation de circuits complexes. Enfin, l’application de ces moyens à la réalisation de modules de communication optique est détaillée, depuis la puce circuit jusqu’au packaging optoélectronique.
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Librairie de composants
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2. Technologie et environnement de conception
2.1 Environnement de fabrication
La technologie photonique sur silicium vise à réaliser l’ensemble des composants élémentaires sur une plateforme silicium, et plus précisément une plateforme silicium sur isolant : SOI (Silicon On Insulator). Cette plateforme SOI propose une couche de silicium monocristallin sur une couche d’oxyde, elle-même sur le substrat silicium. La couche de silicium est utilisée pour former le cœur des guides optiques et la couche d’oxyde, la gaine optique inférieure. La gaine optique supérieure est réalisée par un dépôt d’oxyde après la structuration du silicium (figure 3).
En utilisant diverses configurations d'implantation et une métallisation d’interconnexion de plusieurs niveaux (appelée Back-End-Of-Line – BEOL), les dispositifs actifs (photodiodes, modulateurs, atténuateurs variables) sont fabriqués en germanium et/ou en silicium. Un processus final consiste à fabriquer des piliers de cuivre de 20 µm au-dessus des blocs électriques, de sorte qu'un circuit intégré électronique puisse être soudé à la surface de la puce photonique par intégration 3D. Ce circuit est parfois nécessaire au pilotage du circuit photonique (exemple : driver de modulateur) ou à la conversion de signal (exemple : amplificateur transimpédance ou TIA en sortie d’une photodiode).
Par ailleurs, cette plateforme est compatible avec les techniques de fabrication collective de l’industrie microélectronique, afin notamment de pouvoir répondre à la croissance des volumes de fabrication. En effet, l’émergence de la photonique du silicium est liée à la possibilité de tirer parti des capacités de production des fonderies CMOS, c'est-à-dire d'un grand volume et d'une forte productivité. L'industrie des semi-conducteurs bénéficie d'une longue expérience dans le traitement du silicium. L'approche rentable pour la définition d’une technologie dérivative est de réutiliser les procédés CMOS existants et importés d'autres technologies (figure 4). La plupart des procédés associés à la fabrication photonique de silicium peuvent être importés avec une implémentation minimale à partir des procédés CMOS. Néanmoins, quelques exceptions existent encore pour répondre complètement aux besoins d'un circuit photonique totalement intégré.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - KOPP (C.) et al - Silicon photonic circuits : On-CMOS integration, fiber optical coupling, and packaging. - IEEE J. Selec. Topics in Quantum Elec., 17, p. 3 (2011).
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(2) - LEE (Y.C.), LEE (S.H.) - Optoelectronic packaging for optical Interconnects. - OPN (2006).
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(3) - TEKIN (T.) - Review of packaging, of optoelectronic, photonic and MEMS components. - IEEE J. Selec. Topics in Quantum Elec., 17, p. 3 (2011).
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(4) - VIVIEN (L.), PAVESI (L.) - Handbook of Silicon Photonics. - CRC Press (2013).
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(5) - FATHPOUR (S.), JALALI (B.) - Silicon Photonics for Telecommunications and Biomedecine. - CRC Press (2012).
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(6) - BERGMAN (K.) - Photonic Network-on-Chip Design. - Springer (2014).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
HAUT DE PAGE
Club Optique & Microondes http://www.france-optique.org/indexfram.html
OIDA, Optoelectronics industry development association http://www.oida.org/
OIF, Optical internetworking forum http://www.oiforum.com
ITU, International Telecommunication Union, http://www.itu.int/en/ITU-T/publications/Pages/recs.aspx
HAUT DE PAGE3 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
On se limite ici aux constructeurs français ou ayant une filiale française :
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STm,...
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