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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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This article presents silicon photonic technology for fiber communication devices. First, an overview of integrated optic technologies shows the attractiveness of silicon photonics for highly integrated high-speed transceivers beyond 100 Gbit/s. The fabrication of such photonic integrated circuits is then detailed from the micro-technology processing steps to dedicated design software and the design kit library with typical device performance. One technological solution that integrates a laser source is also demonstrated. Finally, the design of high-speed fiber communication modules is presented.
Auteur(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
-
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.
Le lecteur trouvera en fin d'article une liste des sigles utilisés.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
photonics | telecommunications | microtechnology
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3. Librairie de composants
La librairie de composants est typiquement divisée en composants passifs et en composants actifs. Les composants passifs regroupent les fonctions de guidage, couplage, multiplexage en longueur d’onde, contrôle de la polarisation, distribution de la lumière, filtrage en longueur d’onde, déphasage. Les composants actifs regroupent typiquement les modulateurs pour les émetteurs et les photodiodes pour les récepteurs et le monitoring local.
3.1 Composants passifs
Les composants passifs sont principalement basés sur le cœur submicronique des guides en silicium enrobé de silice avec une section typique de 300 nm x 500 nm ou 220 nm x 450 nm selon la plateforme SOI utilisée. À partir de ce cœur, toutes les fonctions de routage optique sont définies : guides, transitions entre guides de natures différentes, virages (figure 13). Le grand écart d’indice entre le cœur du guide en silicium (n = 3,47) et la silice (n = 1,44) permet d’obtenir un fort confinement du mode optique dans le guide et de réaliser des virages de rayons de courbure très faibles, jusqu’à quelques microns.
Les fonctions de distribution de la lumière sont typiquement réalisées par des structures de type coupleur directionnel exploitant le phénomène de couplage évanescent entre 2 guides proches ou de type diffractif avec les interféromètres multimodes. Ces structures très compactes ne mesurent au maximum que quelques dizaines de microns de long.
Le filtrage en longueur d’onde peut être réalisé par plusieurs types de structures : les réseaux de guides, les réseaux échelles, les anneaux résonnants. Avec un fonctionnement similaire au prisme optique en faisceau libre, les réseaux de guide et réseaux échelles permettent de connecter directement une entrée vers plusieurs sorties optiques : chacune récupérant une certaine bande spectrale spécifique. Les réseaux de guides (figure 14) sont particulièrement utilisés pour séparer un nombre de canaux élevé (typiquement 8 et plus) et proches en longueur d’onde (typiquement 1,5 nm et moins). À l’opposé, les réseaux échelles sont particulièrement utilisés pour séparer un nombre de canaux faible (typiquement 2 à 4) et espacés en longueur d’onde (typiquement 20 nm et plus).
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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).
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(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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