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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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Conception d’un module émetteur/récepteur
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4. Intégration laser
L’intégration de sources laser sur un PIC silicium a longtemps représenté un verrou technologique. En effet, le silicium est un matériau à bande interdite indirecte, il ne permet donc pas d’émettre de la lumière de manière efficace. Or, les composants de types sources lasers et amplificateurs sont indispensables pour former des émetteurs complets. Parmi les sources lasers, plusieurs familles sont nécessaires selon le réseau de communication considéré. On distingue particulièrement : les lasers Fabry-Perot, les lasers à réseaux de Bragg, les lasers à réseau de Bragg distribué (DFB) et les lasers accordables [E 7 005].
Il existe aujourd’hui trois approches différentes pour réaliser une source laser dans un PIC sur silicium :
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l'utilisation d'une source externe,
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la croissance de matériau émetteur sur silicium,
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l'intégration hétérogène de matériau III-V sur silicium par collage.
Dans la première approche, le faisceau provenant d’un laser classique à base de matériau III-V est injecté dans le PIC silicium soit par un couplage bout-à-bout, soit par un couplage à travers une fibre optique. Cette approche utilise des lasers dont la technologie de fabrication est mature, mais le coût de réalisation est élevé en raison de la précision requise pour l’alignement.
La deuxième approche, encore en voie d’exploration, utilise la croissance directe de matériau de type germanium contraint, ou de type semi-conducteurs composés III-V.
La troisième approche, l’intégration hétérogène, consiste à intégrer par collage direct (ou collage moléculaire) un matériau III-V non structuré sur une plaque de silicium. Il s’agit tout d’abord de faire croître des plaques III-V qui contiennent une couche active permettant de produire l’effet laser (figure 19). En parallèle, des plaques SOI...
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Intégration laser
BIBLIOGRAPHIE
-
(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).
-
(5) - FATHPOUR (S.), JALALI (B.) - Silicon Photonics for Telecommunications and Biomedecine. - CRC Press (2012).
-
(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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