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Le saviez-vous ? Chacune de vos connexions Internet est aujourd’hui traitée par des circuits qui allient l’efficacité de l’électronique avec celle de l’optique. Et la convergence de ces deux domaines scientifiques prend un nouveau tournant avec l’apparition de dispositifs encore plus efficaces pour s’adapter à la forte demande des consommateurs, principalement en termes de rapidité de traitement de l’information. Il est en effet peu concevable aujourd’hui de réduire l’utilisation que nous faisons d’Internet ou d’en dégrader ses performances, car les infrastructures ne sont plus capables de répondre à la demande.
Cette révolution numérique qui a débuté au XXe siècle avec le déploiement à grande échelle de l’électronique prend sa source grâce à l’utilisation d’un matériau : le silicium, le semi-conducteur de référence qui permet de réaliser des circuits électroniques. Cependant, depuis quelques années, les progrès fulgurants de l’électronique atteignent des limites fondamentales : la puissance électrique consommée pour réaliser les calculs et les communications est gigantesque, et les vitesses d’opération et de traitement de l’information deviennent trop faibles par rapport à une demande toujours croissante.
Depuis quelques années, des circuits utilisant à la fois l’électronique et la photonique – qui consiste à remplacer les signaux électroniques par des signaux lumineux – sont disponibles commercialement. Ces circuits permettent de limiter la puissance énergétique consommée dans les systèmes de communications, principalement dans les data centers, forts consommateurs de puissances électriques.
Il faut noter qu’il est difficile de comparer quantitativement les communications optiques aux technologies actuelles sur un seul paramètre (ici, l’énergie consommée), étant donné que les autres paramètres ne sont pas fixes (la vitesse de communication est très largement augmentée par exemple).
Le silicium peut répondre aux nouveaux défis de l’intégration optique sur puce
Le silicium, matériau de référence en électronique, est devenu en seulement quelques années le matériau de base de l’« optique sur puce », avec le développement de circuits intégrés où les électrons sont remplacés par des photons, les particules élémentaires de lumière. L’optique intégrée à base de silicium, communément appelée « photonique silicium », apporte de nouvelles solutions pour répondre d’une part à la saturation du trafic Internet due à une demande toujours plus forte, et d’autre part à la réduction de l’impact énergétique des systèmes de communications actuels.
En effet, l’augmentation de la vitesse de propagation de l’information rencontre des limitations fondamentales si elle est effectuée par uniquement des connexions électriques : les lignes électriques n’arrivent pas à suivre la cadence imposée par l’augmentation de la vitesse des signaux. Une première solution a déjà été déployée depuis de nombreuses années en utilisant des fibres optiques pour toutes les communications longues distances (de plusieurs mètres à plusieurs centaines de kilomètres). Malheureusement, cela ne suffit pas, car les communications courtes distances (de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres) au sein même des circuits intégrés, effectuées par des interconnexions métalliques, rencontrent également des limitations. Une des solutions est donc d’intégrer l’optique au sein même du circuit.
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La convergence de l’électronique et de la photonique sur un même circuit passe par la convergence de la technologie. Dans cet objectif, l’utilisation du silicium pour l’électronique et la photonique semble évidente. Cela permet de donner accès à l’ensemble des infrastructures déjà mises en place pour la microélectronique. De plus, le silicium possède des propriétés optiques fondamentales très intéressantes pour propager la lumière sur puce dans des structures optiques appelées « guides d’onde », qui permettent d’intégrer de nombreux composants optiques sur les circuits électroniques afin d’exploiter les avantages de la photonique en gardant les points forts de l’électronique. En particulier, pour réaliser une communication optique sur puce, il est nécessaire de développer à minima des sources de lumière (laser), des modulateurs optiques pour le codage de l’information et des détecteurs de lumière pour retranscrire l’information au sein du circuit électronique.
Ces circuits photoniques silicium sont aujourd’hui produits par les principaux acteurs de la microélectronique et des télécommunications optiques, par exemple STMicroelectronics, Intel, CISCO, NEC, Huawei, Fujitsu ou Hewlett Packard et sont aujourd’hui présents dans les centres de données (data center en anglais). En France, les principaux acteurs sont STMicroelectronics, le III-V Lab, Scintil Photonics, le CEA/Leti, le Centre de nanosciences et nanotechnologies, C2N (CNRS, Université Paris-Saclay) et l’Institut des nanotechnologies de Lyon, INL (CNRS, Université de Lyon).
Laurent Vivien, C2N, STMicroelectronics, CEA-Leti, Fourni par l’auteur
Le silicium a néanmoins quelques petits défauts…
La perfection n’existant pas, le silicium présente cependant plusieurs inconvénients intrinsèques pour son utilisation en optique. L’un est de nature électronique, c’est sa structure de bandes d’énergie dite « indirecte ». L’autre cristallin, c’est sa maille cristalline « centrosymmétrique ». Ces deux caractéristiques conduisent à une très faible efficacité du processus d’émission de photons – un problème pour la réalisation de sources de lumière – et l’absence de l’« effet électro-optique de type Pockels » – couramment exploité pour le codage rapide de l’information dans les systèmes de télécommunications (d’un codage électronique à un codage lumineux, grâce à l’utilisation d’un « modulateur électro-optique »).
De plus, la transparence du silicium, avantage incontesté pour la propagation de la lumière, devient un inconvénient pour la détection de celle-ci. C’est-à-dire pour la transformation du signal optique en signal électrique et permettre le traitement de l’information sur puce. En effet, une des principales propriétés physiques pour détecter la lumière est l’absorption, qui est nulle si le matériau est transparent.
Mais la photonique a de la ressource
Malgré ces inconvénients, la possibilité d’intégrer de nombreux composants photoniques (on parle de « densité d’intégration ») et de les « co-intégrer » avec des composants électroniques, sur une même puce, est une force indéniable, et de nombreux efforts de recherche académique et industrielle ont été déployés pour atteindre aujourd’hui des performances remarquables.
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L’intégration d’autres matériaux semi-conducteurs sur des puces silicium a également ouvert de nombreuses perspectives pour répondre aux limitations du silicium en photonique. Par exemple, des sources lasers à base de semi-conducteurs III-V peuvent être intégrées sur silicium – ce type de semi-conducteur est l’élément phare de toutes les sources lasers utilisées aujourd’hui en télécom. D’autres composants optiques, comme des modulateurs jouant sur la variation de la densité de porteurs (électrons et trous) dans le silicium et des photodétecteurs en germanium, ont également été développés. Cette complémentarité et cette intégration sur la plate-forme silicium apportent des solutions solides et matures pour répondre aux grands défis des communications optiques sur puce.
Dans ce contexte où les enjeux scientifiques, technologiques et applicatifs sont immenses, le Centre de Nanosciences et Nanotechnologies, C2N, pionnier dans le domaine de la photonique silicium, a démontré avec ses partenaires des composants innovants clés pour la propagation, l’émission, la modulation et la détection optique sur puce.
Un futur prometteur pour la photonique silicium
La « photonique silicium » ne s’arrête pas seulement à trouver des solutions pour les communications optiques sur puces. Elle est aujourd’hui considérée comme la plate-forme scientifique et technologique idéale pour le développement des circuits de demain dans tous les systèmes de communications optiques (télécom, 5G, 6G…), les capteurs (LIDAR, détection de molécules biologiques et chimiques, spectroscopie dans le proche et le moyen infrarouge, gyroscope, systèmes de visualisation…) et les circuits quantiques (sécurisation des données, ordinateur quantique).
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Laurent Vivien, Directeur de recherche CNRS au Centre des Nanosciences et Nanotechnologies, Université Paris Saclay, Université Paris-Saclay
Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons.
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