Dans une puce de la taille d’un ongle se concentrent des lasers, des photodétecteurs, des modulateurs, des filtres et autres équipements. Ils sont voués à générer, contrôler et collecter la lumière, dont la vitesse est inégalable pour véhiculer de l’information. Ce système optique miniature forme un circuit photonique intégré sur du silicium (ou PIC, photonic integrated circuit), le même matériau semi-conducteur qui a lancé la révolution de la microélectronique.
À la faveur de cette intégration, l’efficacité énergétique et les performances s’envolent de plusieurs ordres de grandeur, tandis que les coûts baissent et que la fiabilité s’améliore significativement, en l’absence d’assemblage complexe de multiples composants.
Voilà la vision que Stewart Miller, ingénieur aux Bell Labs, a exposée dès 1969 dans un texte fondateur intitulé « Integrated optics : an introduction ». Cités abondamment par la littérature scientifique, les travaux de Richard Soref et de Brian Bennett, de l’université du Massachusetts, publiés en 1987 et décrivant les effets électro-optiques du silicium (utiles pour coder de l’information), sont aussi considérés comme un jalon.
L’heure de la photonique sur silicium sonnera des années plus tard. « Le boom est survenu au début des années 2010 quand des acteurs comme Luxtera et Intel se sont lancés, rappelle Laurent Fulbert, le directeur adjoint de la division optique et photonique du CEA-Leti. D’une curiosité de laboratoire, la photonique sur silicium est devenue une réalité industrielle et, depuis, l’intérêt est constant. » Fondé en 2001 par des anciens du California Institute of Technology (Caltech), Luxtera a été le pionnier du circuit photonique pour les applications télécoms, avant de tomber dans l’escarcelle de Cisco en 2019.
Quant au géant du microprocesseur Intel, il a démontré, à partir de 2016, que la photonique sur silicium était suffisamment viable d’un point de vue industriel pour équiper les modules d’interconnexion optique à l’intérieur des datacenters. Ces infrastructures ont suscité beaucoup de recherches depuis le début du siècle, visant à modérer leur gloutonnerie énergétique. La photonique sur silicium, alliant intégration, performances et sobriété énergétique, fait aujourd’hui la preuve sur le terrain qu’elle est une réponse technologique.
Ses qualités lui valent l’attention d’autres secteurs : elle s’implante notamment dans les capteurs de composés biochimiques, à usage industriel ou sanitaire, et le fera bientôt dans les lidars, ces systèmes de télédétection en quête de miniaturisation. Il est même question de circuits photoniques capables d’accélérer des algorithmes d’intelligence artificielle, une piste creusée par plusieurs deeptechs américaines et européennes.
Le succès croissant de la photonique sur silicium s’explique aussi par son potentiel d’industrialisation. Inutile de réinventer la roue : les machines, procédés et technologies développés par la filière de la microélectronique depuis les années 1960 pour produire des composants électroniques à base de silicium sont compatibles avec la fabrication des circuits photoniques intégrés sur silicium.
Des offres commerciales se mettent progressivement en place, de la part de fonderies telles que GlobalFoundries et Tower Semiconductor. De la même manière qu’en microélectronique, le coût unitaire des circuits tend à baisser grâce à la mise à disposition de larges « wafers » (substrats) de silicium de 200 et 300 mm.
Circuits photoniques submicroniques
À cela s’ajoute une propriété physique intéressante. « Le silicium permet de réaliser des circuits photoniques submicroniques très complexes grâce à de forts contrastes entre les indices de réfraction de ce matériau et de son oxyde, la silice », explique le professeur Wim Bogaerts dans une vidéo publiée par le Photonics Research Group, le laboratoire commun à l’Institut de microélectronique et composants (Imec) et à l’université de Gand, en Belgique. À la longueur d’onde de 1,55 micromètre utilisée dans les télécoms, l’indice de réfraction d’un guide d’ondes en silicium, qui distribue les photons dans le circuit, s’élève à 3,47, tandis que celui de la silice qui l’entoure ne vaut que 1,45. Soit un rapport supérieur à deux.
Résultat, les photons peuvent être canalisés dans des guides d’ondes de quelques centaines de nanomètres de largeur, même quand ceux-ci amorcent des virages très serrés, et les circuits photoniques peuvent gagner en densité.
Le boom est survenu au début des années 2010. D’une curiosité de laboratoire, la photonique sur silicium est devenue une réalité industrielle et, depuis, l’intérêt est constant.
— Laurent Fulbert, le directeur adjoint de la division optique et photonique du CEA-Leti
Les matériaux concurrents, à l’instar du phosphure d’indium (InP), ne possèdent pas les mêmes vertus. D’une part, l’InP, sous la forme d’un guide d’ondes, ne confine pas aussi bien la lumière. D’autre part, il est cantonné à des substrats de 50 à 100 mm et le coût de fabrication d’un circuit photonique sur InP est dix fois supérieur à celui d’un circuit équivalent sur silicium. Ce n’est pas un inconvénient pour des applications haut de gamme, parfois à usage militaire ou spatial. Cela le devient pour des secteurs réclamant de gros volumes de production à faible coût, comme les télécommunications.
Délicat à l’échelle industrielle
Parfait pour la circuiterie passive, le silicium est cependant loin d’être le matériau photonique à tout faire, comme il peut l’être en microélectronique. Transparent aux longueurs d’onde comprises entre 1,1 et 7 micromètres, il ne peut, de facto, « bloquer » ces mêmes photons pour les convertir en signal électrique. D’où l’intervention du germanium, par exemple, faisant office de détecteur.
De même, le silicium se révèle incapable d’émettre efficacement des photons, une lacune qui doit être compensée par l’intégration de lasers fabriqués avec d’autres matériaux, comme le... phosphure d’indium. Une approche encore délicate à mener à l’échelle industrielle.
Pour se démocratiser pleinement, la photonique sur silicium requiert donc de gros efforts en recherche et développement. Mais sa diffusion grandissante dans le milieu académique lui promet un bel avenir. « Les laboratoires qui n’étudient pas directement cette technologie l’incorporent à leurs recherches sur d’autres technologies, indique Laurent Vivien, le directeur adjoint du Centre de nanosciences et nanotechnologies. Leur expertise vient compléter cette filière qui est en plein mouvement. »
