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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
-
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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Technologie et environnement de conception
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1. Technologies pour l’optique intégrée et applications
Plusieurs générations de technologies d’intégration de circuits photoniques (Planar Lightwave Circuit, PLC, ou Photonic Integrated Circuit, PIC) se sont succédé depuis le début des années 1980, utilisant des plateformes (substrats) en verre, silicium ou autres matériaux tel le phosphure d’indium (InP).
1.1 Niveau d'intégration
En fonction des matériaux utilisés et des dimensions du cœur des guides optiques, le niveau d’intégration des circuits optiques est plus ou moins fort : de quelques unités à plusieurs centaines de composants par centimètre carré. Selon les matériaux et technologies utilisés, les fonctions réalisables peuvent être limitées à des fonctions passives, ou permettre d’y ajouter aussi des fonctions actives. Les fonctions optiques passives regroupent par exemple les composants de type guide, coupleur, diviseur, multiplexeur, filtre spectral. Les fonctions optiques actives exploitent les propriétés électro-optiques des matériaux afin de réaliser des structures de type diode pour des composants de type déphaseur, modulateur, photodétecteur, source laser.
Servant de première référence, une famille de composants utilisant l’optique guidée à base de fibres optiques est apparue, basée sur les techniques de fusion étirage et de combinaison avec des micro-optiques pour la réalisation de fonctions optiques passives. Avec un diamètre de mode de 10 µm et un rayon de courbure de plus de 30 mm, les composants réalisés mesurent typiquement une dizaine de centimètres.
Un premier niveau d’intégration sur silicium consiste à réaliser des guides avec un cœur en silice dopée pour la réalisation de fonctions optiques passives. Avec un diamètre de mode de 3 à 10 µm et un rayon de courbure pouvant descendre à moins de 30 µm, les composants réalisés mesurent typiquement quelques centimètres.
Un niveau d’intégration similaire regroupe les technologies sur InP ou LiNbO3. Avantageusement, ces technologies permettent la réalisation de fonctions actives, mais les dimensions des composants réalisés demeurent de l’ordre de quelques centimètres.
Un deuxième niveau d’intégration, dont l’exploitation commerciale a débuté au tournant des années 2000, se fonde sur le fort confinement des guides silicium pour la réalisation de guides de cœur submicronique. Ainsi,...
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Technologies pour l’optique intégrée et applications
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).
-
(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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