[Cahier Technique] Le silicium à la conquête de la photonique

L’utilisation de plaques de semiconducteurs en silicium (wafers) a permis l’essor des technologies microélectroniques grâce à la miniaturisation des circuits actifs pour la réalisation de microprocesseurs ou de mémoires. Aujourd’hui, un circuit électronique intégré sur une puce d’environ 1 cm2 contient plusieurs centaines de millions de transistors. Matériau transparent sur une bande spectrale dans le proche infrarouge, le silicium est aussi utilisé pour réaliser des composants optiques traditionnels comme des lentilles. Dans les années 2000, la combinaison de ces propriétés optiques et des moyens de fabrication de la microélectronique a donné naissance à la photonique intégrée sur silicium. Les circuits intégrés sur une puce sont désormais des circuits optiques dans lesquels se propagent des signaux lumineux dans des guides de moins de 1 micromètre de section.

Comme pour la microélectronique, ce niveau de miniaturisation de circuits photoniques intégrés (PIC) représente un nouveau paradigme pour les concepteurs, leur permettant d’exploiter les propriétés uniques de la lumière pour la communication, l’acquisition et le traitement de données. Bien que jeune, cette technologie de la photonique intégrée sur silicium a déjà atteint un premier niveau de maturité avec le développement de plusieurs filières industrielles pour la production de composants destinés au marché des communications à haut débit sur fibre optique pour le réseau internet. Aujourd’hui, les applications se diversifient au cœur des centres de recherche et des start-up dans des domaines aussi divers que l’électronique grand public, la santé, l’agroalimentaire, l’automobile et l’industrie 4.0.

1. Principe : s’appuyer sur les bases de la microélectronique

La photonique sur silicium utilise les moyens de fabrication développés pour les technologies microélectroniques CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) permettant de bénéficier, à moindre coût, d’outils de production de circuits avancés et de l’environnement associé de la conception de circuits jusqu’à l’assemblage. Ces technologies à base de silicium permettent de réaliser l’élément de base des circuits photoniques : le guide d’onde. En effet, le fort contraste d’indice de réfraction entre un cœur en silicium (n=3,5) et une encapsulation en oxyde de silicium (n=1,44) permet de former des guides optiques aux longueurs d’ondes de télécommunications, typiquement entre 1,3 µm et 1,6 µm.

La notion de photonique sur silicium apparaît avec l’article fondateur de Soref et Bennett en 1987. Cet article décrit comment, en injectant ou en appauvrissant des porteurs dans le silicium, les propriétés optiques du matériau peuvent être changées. Ainsi, intégrer une jonction de diode PN dans un guide d’onde permet d’obtenir un composant actif : un modulateur de phase. La modulation de la lumière est utilisée dans les fonctions de transmission de données afin de coder des signaux électriques sur une porteuse optique. Au bout de la liaison, le signal lumineux est reconverti en signal électrique grâce à une photodiode intégrée en germanium. La zone de germanium est généralement formée par un procédé d’épitaxie sélective dans des cavités de silicium. Les photons sont absorbés dans cette portion de germanium, formant des paires électron-trou qui sont collectées en appliquant une tension aux bornes du germanium.

Afin de faire interagir les composants entre eux, on utilise deux ou trois niveaux d’interconnexion métalliques tels que ceux utilisés dans les technologies microélectroniques (contre une dizaine pour les technologies CMOS les plus avancées). Dans la plateforme de photonique sur silicium proposée au CEA Leti (fig. 1), des guides à base de nitrure de silicium (SiN) sont utilisés. La couche de SiN permet de réaliser des guides à très faibles pertes de propagation ou encore des fonctions thermiquement plus stables qu’avec du silicium. En revanche, elle ne permet pas de réaliser des composants actifs.

FIG. 1

La co-intégration de ces deux types de guides est devenue standard dans les différentes offres de technologies photoniques sur silicium. L’épaisseur du film de silicium est de 310 nm. Différentes valeurs sont utilisées selon les fonderies, cette épaisseur variant généralement entre 170 nm et 440 nm. En plus des modulateurs à jonction et des photodiodes, d’autres composants actifs comme les « heaters » sont intégrés afin de modifier localement la température et donc les propriétés optiques des composants. La plateforme technologique est accompagnée d’outils de conception de circuit (CAD) qui intègrent des librairies de composants permettant ainsi à l’utilisateur d’assembler différents éléments dont les performances sont connues et modélisées. Ainsi, il peut fidèlement simuler la réponse de son circuit avant de lancer la fabrication.

L’utilisation de moyens de fabrication issus de l’industrie de la microélectronique permet d’avoir un écosystème complet pour la photonique sur silicium. Ainsi, de grands acteurs comme Intel, Global Foundries, TSMC ou encore STMicroelectronics utilisent ou proposent des plateformes de photonique sur silicium dans leurs usines de fabrication par CMOS. Des instituts de recherche comme l’Institut de microélectronique et composants (Imec) en Belgique, le CEA Leti et l’IRT Nanoelec en France ou AIM Photonics aux États-Unis proposent des lignes pilotes. Les grands acteurs de la CAD tels que Cadence, Siemens EDA ou encore Synopsys apportent des solutions spécifiques à la photonique à partir de leurs outils microélectroniques. Ainsi, cet environnement permet à de nombreux centres de conception de proposer des circuits à base de photonique sur silicium pour traiter différentes thématiques telles que celles décrites ci-après.

2. Communication : la convergence entre optique et électronique

Les communications photoniques sur puce répondent aux besoins croissants d’échange de données. Depuis l’avènement des premières transmissions par fibre optique dans des câbles sous-marins transatlantiques à la fin des années 1980, les réseaux de communications optiques n’ont cessé de s’étendre, reliant désormais de grands centres de données, où l’information est traitée et stockée, à nos habitations. L’intérêt de ces communications optiques repose principalement sur la capacité des guides optiques à transmettre une grande quantité d’informations à une haute fréquence et sur des grandes distances, là où les liens électroniques sont confrontés à des pertes accrues avec la distance, limitant le débit. Selon le besoin, le débit agrégé sur une fibre optique varie de 1 Gbps pour le FTTH (Fibre to the home), à plus de 100 Gbps par fibre à l’intérieur d’un centre de données, et même 100 Tbps pour un câble sous-marin.

À chaque embranchement de ces réseaux de communication, des transmetteurs-récepteurs photoniques jouent le rôle de transducteurs entre les données traitées électroniquement dans les serveurs et les ordinateurs, et le réseau de fibres optiques transmettant ces données. Ces transducteurs sont composés de deux circuits : un émetteur et un récepteur. Côté émetteur, une ou plusieurs sources laser sont reliées à des modulateurs photoniques, capables d’encoder la lumière émise. L’information ainsi encodée est regroupée dans un mélangeur de longueurs d’onde avant d’être extraite de la puce en direction de la fibre optique. Côté récepteur, le signal optique récolté est séparé par longueur d’onde et converti en signal électrique grâce à des photodiodes intégrées. (Fig.2)

FIG.2

Depuis 2015, les premiers produits intégrant des transducteurs photoniques sur silicium sont apparus sur le marché. Les usines de fabrication de la microélectronique peuvent facilement s’adapter à la production de ces circuits puisque les procédés et matériaux utilisés sont ceux de l’industrie CMOS. En revanche, un des enjeux spécifiques de la photonique sur silicium est l’intégration des sources laser nécessaires côté émetteur. Pour ces sources, les matériaux de choix sont le phosphure d’indium (InP) ou l’arséniure de gallium (GaAs). Ceux-ci peuvent être apportés localement, par collage moléculaire de petites vignettes, directement sur les circuits en silicium. Cette méthode d’intégration permet d’avoir l’ensemble des matériaux sur une même puce (Fig. 3) afin d’intégrer l’ensemble des composants optiques nécessaires tout en minimalisant les coûts de production. Le CEA Leti se distingue par son savoir-faire sur l’intégration multi-matériau, notamment avec les semiconducteurs III-V sur silicium, mais aussi sur les procédés de réalisation avec la démonstration des premiers lasers dits hybrides III-V/Si avec des contacts métalliques CMOS sur wafer de 200 mm en 2017.

FIG.3

Désormais, les enjeux dans ce domaine sont l’accroissement des débits tout en minimalisant la consommation énergétique par bit transmis, ainsi qu’une intégration plus forte avec l’électronique. En effet, la performance des systèmes électroniques est de plus en plus limitée par les entrées et sorties et par la consommation d’énergie liée aux échanges des données. Désormais, une convergence s’opère progressivement entre photonique et électronique pour résoudre ces limitations, par un assemblage commun. Dans ce cas, l’intégration de plusieurs puces photoniques et électroniques se fait par assemblage 3D avec une puce intermédiaire (appelée aussi « interposer ») liant à haut débit les différents circuits, ouvrant ainsi la voie à des architectures de calcul désagrégées, où chaque cœur de calcul, cœur graphique ou mémoire sera accessible de façon dynamique et reconfigurable, répondant aux besoins pour le calcul à hautes performances (HPC) et l’intelligence artificielle (IA).

3. Acquisition : la promesse des capteurs photoniques

Tout comme nos yeux, nos oreilles ou notre nez nous permettent d’appréhender notre environnement, les capteurs sont des éléments essentiels pour rendre nos technologies plus intelligentes. Ils permettent à nos machines, robots, smartphones et ordinateurs d’accéder aux grandeurs physiques en les traduisant en une information compréhensible. D’abord réservés à des applications industrielles ou scientifiques, de nombreux types de capteurs sont maintenant entrés dans notre vie quotidienne grâce à la miniaturisation : accéléromètres, gyroscopes, compas, altimètres, thermomètres ou encore récepteurs GPS. Par ailleurs, l’optique permet de réaliser des capteurs ultraprécis. On peut citer l’interféromètre géant Ligo, capable de détecter une variation de la longueur de ses bras de l’ordre de 10 à 19 m, témoignage du passage d’une onde gravitationnelle. En s’appuyant sur l’industrie de la microélectronique, des capteurs optiques performants ont également été développés : matrice de photodiodes pour les appareils photo et vidéo numériques, détecteurs de lumière ambiante et de proximité, oxymètres ou encore scanners 3D à lumière structurée.

Avec son très fort potentiel d’intégration, la photonique sur silicium est devenue une technologie de choix pour la réalisation de capteurs optiques de nouvelle génération. En regroupant plusieurs fonctions optiques au sein d’une même puce, il est ainsi possible de réaliser des capteurs plus intelligents tout en maintenant un bas coût de production. Un exemple récent de cette évolution est le développement de systèmes lidar (Light detection and ranging) sur puce pour l’assistance à la navigation des véhicules et objets mobiles autonomes. En effet, le système de balayage de faisceau peut être réalisé par un OPA (Optical phased array, ou réseau de phase optique) intégré sur une puce photonique. Ce dispositif consiste en un arbre de division optique qui va répartir la puissance d’une source laser entre différents guides d’ondes. Chacun d’eux est ensuite connecté à une antenne optique capable d’émettre la lumière par la surface de la puce.

En modifiant les relations de phase entre les différentes antennes (grâce à des modulateurs photoniques), il est ainsi possible de former un faisceau laser pointant dans une direction choisie (Fig.4). Ce procédé, appelé « solid state beam steering », permet un balayage rapide du faisceau laser sans aucune partie mécanique mobile, réduisant ainsi significativement le coût et la taille du dispositif tout en améliorant ses performances. Par ailleurs, en intégrant également le circuit de réception sur la même puce photonique, des techniques de détection avancées tel que le FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) peuvent être mises en œuvre. Cette méthode permet de mesurer non seulement la distance de la cible mais également sa vitesse relative. Le développement de LiDARs intégrés sur puce photonique ouvre donc la voie à des robots, des drones ou encore des véhicules autonomes plus sensibles à leur environnement. Le prochain défi du développement de ces capteurs réside dans la co-intégration des différents éléments (laser, puce photonique, électronique de contrôle). Grace à ses différents laboratoires spécialisés en optique et en électronique, le CEA-Leti est capable d’adresser de façon globale l’intégration de ces différents systèmes.

FIG.4

La grande variété de fonctions optiques disponibles permet également d’envisager d’autres types de capteurs. De nombreux travaux sont notamment menés sur les biocapteurs (détection d’espèces chimiques, de molécules, de cellules…). A plus long terme, l’amélioration croissante de la technologie photonique sur silicium permet d’envisager le développement de nouvelles fonctions basées notamment sur l’optique non linéaire. De tels composants ouvrent un nouveau champ d’applications comme la réalisation d’horloges atomiques sur puce, de sources de fréquence ultra stables ou encore de spectromètres miniatures. Enfin, la photonique quantique intégrée laisse entrevoir la réalisation de gyroscopes, d’accéléromètres ou encore de gravimètres ultra précis exploitants les propriétés uniques de la physique quantique.

4. Traitement : vers le neuromorphique

Le traitement optique de l’information attire de nouveau l’attention, notamment car une grande partie de l’information est, à un moment ou un autre, convertie mise sous forme de signaux optiques. Il apparait opportun alors de traiter cette information optique directement par un circuit photonique d’autant plus que les technologies d’intégration photoniques sont maintenant suffisamment matures pour pouvoir réaliser des circuits complexes, comportant des centaines de composants individuels. Ces systèmes s’apparentent à des accélérateurs de calculs et se basent sur une approche neuromorphique. Après une phase d’apprentissage, un circuit neuromorphique saura réaliser une opération mathématique comme une convolution ou une classification en se basant sur l’équivalent de neurones interconnectés par un réseau dense de circuits synaptiques. (Fig.5)

La possibilité d’utiliser des composants photoniques pour cela devrait permettre de gagner plusieurs ordres de grandeurs en termes de cadence d’opération ainsi que de puissance consommée. Par exemple, on peut noter la conception d’un circuit de post traitement d’un signal optique modulé ayant traversé une grande longueur de fibre optique. Le signal déformé est remis en forme par un circuit photonique neuromorphique, réduisant le taux d’erreur de la transmission. Un autre exemple est celui donné par le MIT pour effectuer une opération de reconnaissance vocale (deux startup sont issues de ces travaux LightElligence et LightMatter).

FIG.5

Il faut aussi signaler les travaux du groupe du Professeur Prucnal, de l’Université de Princeton, proposant un réseau de neurones photoniques impulsionnels très performant (et dont le groupe a monté une startup nommée Luminous Computing) ou encore une autre startup, IPRONICS, qui réalise l’équivalent de circuits programmables FPGA en photonique. Finalement, on peut aussi mentionner la société française LightOn, qui commercialise un système optique de compression de données dont l’efficacité a été démontrée par rapport à des systèmes de compression digitaux.

Le point commun des réalisations citées ci-dessus est que quasiment toutes utilisent des composants photoniques intégrés sur silicium. En regardant de plus près l’architecture des circuits intégrés proposés, on peut noter qu’ils utilisent tous, pour la partie linéaire (c’est-à-dire la partie qui réalise la combinaison linéaire entre les signaux et les poids synaptiques), des composants communs : coupleurs surfaciques, guides d’ondes, photodiodes… un élément clé semble être un déphaseur optique qui permet d’ajuster les interférences entre différents rayons lumineux et/ou de régler les poids synaptiques. Pour la partie non linéaire (fonction d’activation des neurones), les propositions sont moins détaillées. Seul le groupe de Princeton propose une architecture active de circuit (c’est-à-dire intégrant les neurones) à base de lasers impulsionnels.

D’autres propositions de neurones photoniques ont été faites par d’autres groupes mais toutes se heurtent à des limitations en termes de passage à l’échelle ou de densité d’intégration (par exemple un neurone à base de VCSEL ou d’anneau résonnants). Pour rendre ces circuits neuromorphiques encore plus efficaces, il est nécessaire de disposer de deux composants spécifiquement développés pour cette application : le déphaseur non volatil et le laser impulsionnel.  Le déphaseur non volatil permet de régler les poids synaptiques d’un circuit neuromorphique. Les valeurs de ces poids sont déterminés lors de la phase d’apprentissage du circuit. Au CEA-Leti, nous cherchons à développer des déphaseurs à base de matériaux « à changement de phase » (attention, il s’agit ici de phase cristalline et non pas de phase optique) dont l’indice varie en fonction de l’état. Ces matériaux peuvent prendre deux phases matérielles distinctes et stables (cristalline ou amorphe) et ainsi induire sur un signal optique un retard variable qui, une fois établi, reste constant dans le temps sans consommer d’énergie.

Le laser impulsionnel reproduit le comportement d’un neurone de type « leaky integrate and fire » ou LIF en anglais, comportement qui est similaire à ceux de nos neurones corticaux.

En effet, soumis à un stimuli externe (par exemple une impulsion de courant similaire à un signal synaptique), un tel laser va se rapprocher d’un état excité. Si les stimuli se succèdent de façon suffisamment rapide, le laser va finir par émettre une impulsion lumineuse qui va servir de stimuli pour les neurones suivants. Après avoir émis une impulsion, le laser va passer par une phase réfractaire, au cours de laquelle il va se recharger et ne pourra pas réémettre. Finalement, si le laser est proche d’un état excité mais que les stimuli cessent, celui-ci va se remettre au reposDans ce domaine, les premières démonstrations commerciales en sont encore à leurs premiers balbutiements. Mais les développements technologiques à venir, notamment concernant les déphaseurs non-volatils ainsi que des lasers impulsionnels intégrés sur silicium, pourraient induire un changement d’échelle pour les circuits neuromorphiques photoniques en réduisant la consommation électrique et en permettant d’augmenter considérablement le nombre de neurones interconnectées et donc « l’intelligence » du circuit.

5. Perspectives : industrialiser la photonique

La montée en puissance des filières photoniques sur silicium sur des wafers de diamètre 300mm est un atout majeur pour cette technologie avec la fois une amélioration des performances des composants et des rendements de fabrication. La nouvelle génération de circuits pourra ainsi intégrer plusieurs milliers de composants photoniques sur une même puce. En parallèle, l’augmentation du nombre de fondeurs et la mise à disposition d’outils de conception permettront aux entreprises de toute taille, fabless ou on, d’accéder à cette technologie, aussi bien en phase de R&D qu’en phase de production, avec la possibilité d’adresser des marchés de masse.

A court terme, le prochain enjeu pour cette technologie est de pénétrer les marchés des capteurs optiques, bien connus pour leurs avantages en termes de précision, sensibilité, sélectivité, polyvalence et vitesse d’acquisition. De tels capteurs photoniques miniaturisés sont incontournables pour répondre à la transformation numérique de notre société qui compte déjà plus de 20 milliards d’objets et systèmes connectés. A plus long terme, le traitement optique de l’information permettra d’accompagner la montée en puissance des systèmes de calculs et d’intelligence artificielle.