Convergence électronique/photonique pour les technologies de l information. photos. X. Letartre

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1 Convergence électronique/photonique pour les technologies de l information photos X. Letartre Université de Lyon, Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL), UMR CNRS 5270 Ecole Centrale de Lyon, 36 avenue Guy de Collongue, F Ecully Cedex, France Merci à L. Fulbert (LETI), R. Orobtchouk et P. Rojo Romeo (INL)

2 Plan de l exposé Pourquoi associer électronique et photonique? Les problèmes posés par l augmentation des flux de données Les atouts des photons Quelles applications? Photonique sur CMOS : convergence de fonctions et de technologies Quel modèle de recherche développement? Quelques résultats Conclusion

3 Augmentation des flux de données Digital content traffic is rapidly increasing Main driver: Video on Demand, peer-to-peer (eg. YouTube) The information is stored/processed (Datacenters, servers, HPC, routers), carried (telecoms/datacoms) and used (PC, consumer electronics) High bandwidth/low consumption links are needed 1 Google search: 7g of CO2 Internet traffic grows by 50% each year

4 Augmentation des flux de données Internet : une technologie pas si «verte» 2018 : la consommation électrique «internet» serait l équivalent de la consommation totale de : 650 milliards de requête internet / an = 5000 milliards g de CO 2 / an = émissions de l automobile en Europe aujourd hui

5 Augmentation des flux de données au sein mêmes des CPU 1-10Tb/s in-out of a chip by 10 years Combination of Moore's Law and multi-core CPU ramp up Parallelism replaces clock scaling Source: MIT Sun Ultrasparc T2 IBM XCell 8i Tilera TILE64

6 Pourquoi l optique? La porteuse du signal pour des photons à λ=1.55µm oscille à 200 THz Grande bande passante pour le codage de l information Les tuyaux à photons (guides d onde) présentent très peu de pertes en ligne : Fibre optique (télécom) : 0.2dB/km (reste 1% du signal après 100km) Guides d onde monomodes Si/SiO 2 : qq db/cm (permet de parcourir plusieurs fois la longueur du chip) 0.4 µm Il existe tout une variété de composants permettant d émettre et de détecter de la lumière dans une grande gamme de longueurs d onde

7 Pourquoi l optique? En théorie, des capacités énormes Le produit BP-distance est 10 6 x supérieur qu avec du cuivre Possibilité de réduire la consommation des liens Intégrité du signal Peu d interférences entre les liens Insensible aux perturbations EM 1 vecteur de codage supplémentaire : la longueur d onde On peut exploiter les interférences pour router l information

8 Pourquoi l optique? En théorie, des capacités énormes Le produit BP-distance est 10 6 x supérieur qu avec du cuivre Possibilité de réduire la consommation des liens Intégrité du signal Peu d interférences entre les liens Insensible aux perturbations EM 1 vecteur de codage supplémentaire : la longueur d onde On peut exploiter les interférences pour router l information

9 Pourquoi l optique? Exploitation des interférences : le ADD-DROP Utilisation du caractère résonant du µdisque Pour router la lumière / longueur d onde Réseaux WDM λ 0 Microcavité Σλ Σλ λ 0

10 Où utiliser l optique? Source: IBM A matter of Cost

11 Où utiliser l optique? Source: IBM A matter of Cost

12 Interconnexions optiques sur puce N Con tact t Grating coupler 40Gb/s eye diagram P Contact InP-on-Si integrated laser Microdisk, Fabry-Perot, DBR or DFB architecture Slot waveguide for fast non-linear effects Integrated Photodetector: 42GHz in Vertical PIN Ge PD MUX & DEMUX Silicon-On-Insulator waveguide Electro-optical modulator 15GHz in lateral carrier depletion architecture Grating coupler ONoC Optical Network On Chip Inverted taper

13 Diminuer les coûts de l intégration optique/électronique Technologies génériques «at the wafer scale» Intégration des outils de conception dans la chaîne de conception standard Adapter la fabrication des composants optiques aux fonderies de la microélectronique (convaincre les fonderies de s adapter un peu à l optique)

14 Les limites (prévisibles) de l intégration optique/électronique λ photons ~ 1.5 µm transistor ~ qq 10 nm Utilisation du WDM Discriminer des λ distantes de qq nm λ = n L (n~3) Pas d interconnexions optiques entre transistors Technologie précise au nm

15 Interconnexions optiques sur puce Quel modèle de recherche développement? Les besoins : De nouveaux concepts photoniques Des technologies de haut niveau dès la phase de recherche La participation d acteurs industriels de la microélectronique

16 Interconnexions optiques sur puce Quel modèle de recherche développement? Les besoins : De nouveaux concepts photoniques Des technologies de haut niveau dès la phase de recherche La participation d acteurs industriels de la microélectronique

17 Interconnexions optiques sur puce Quel modèle de recherche développement? Notre histoire : 2000 : premiers projets régionaux et nationaux INL-LETI, IEF-LETI 2004 : passage à l échelle européenne Picmos, Epixnet, Wadimos, Helios

18 III-V laser source p-contact n-contact active layer via stack Stratégie d interconnexion Si photonic waveguide (n=3.5) SiO 2 waveguide cladding (n=1.5) III-V photodetector III-V input waveguide p-contact n-contact absorption layer copper interconnect layers CMOS transistor layer

19 Stratégie d interconnexion Un niveau optique silicium : Transport de la lumière (guides d onde) Routage de l information (filtre optiques) photodétecteurs Un niveau semiconducteurs III-V : Microlasers Photodétecteurs Active III-V layers SiO 2 Si wafer Si

20 Le transport de la lumière High : Si waveguides (n ~ 3.5) - SiO 2 (n ~ 1.5) cladding Typical waveguide losses from < 1dB/cm (ebeam) to 3dB/cm (mainly due to sidewall roughness) Bend losses >0.04dB/90 Cross-talk < 20dB/cm (1.6µm pitch) Crossing loss < 0.2dB Splitter loss < 0.1dB

21 Le routage de l information optique Exploitation des interférences : le ADD-DROP Utilisation du caractère résonant du µdisque Pour router la lumière / longueur d onde Réseaux WDM λ 0 Microcavité Σλ Σλ λ 0

22 Le routage de l information optique A A B λ 1 λ 3 B in C D λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 C D out out emitter A B C D A B C D λ 2 λ 3 λ 4 λ 3 receiver λ 4 λ4? λ 1 λ1 λ 2 λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ1 λ 3 λ 2 out out ONOC Optical network on chip

23 Le routage de l information optique

24 Les microlasers Un défi technologique (et psychologique) : l intégration de SC III-V dans une technologie silicium Molecular Bonding: III-V / SiO 2 silica III-V silica Si III-V silica silica Si

25 III-V: INL SOI & bonding: LETI Example of Direct SiO 2 on SiO 2 bonding Les microlasers Die bonding on processed 200 mm SOI wafer (FP7 Wadimos) 2' InP wafer On a 2' Si wafer IR Image III-V dies 200 mm SOI wafer

26 Les microlasers III-V (InP) Microdisks bonded on SiO2/Si INL IMEC - LETI

27 Les microlasers Top contact Si waveguides IMEC Bottom contact TOP Contact Bottom contact Microdisk laser guide SOI microdisk laser 5µm PICMOS Bottom contact Si waveguide

28 Les microlasers First Optical link (source / waveguide / photodetector) demonstrated in 2006 (FP6 PICMOS / LETI IMEC INL) threshold ~ 0.5mA (diameter 7 µm) RT operation CW operation 50 µw at output guide

29 Cascading sources Les microlasers Diameter 7.5µm 6nm J. Van Campenhout et al., IEEE PTL, 20, 1345 (2008)

30 Sources accordables Les microlasers On exploite les interférences entre les 2 points de couplage pour sélectionner le mode laser En chauffant le guide Si, on passe d un mode à l autre

31 Les microlasers

32 Conclusion L intégration photonique/électronique : Est nécessaire pour satisfaire les besoins croissants de flux de données Ne sera possible que par la mise en place d une technologie générique: Exploitant les fonderies silicium Associant de nouveaux matériaux (III-V) Selon une architecture 3D Les briques de bases essentielles sont démontrées Stabilisation des technologies en cours Pour l avenir : Reconfigurabilité (accordabilité en longueur d onde) Fonctions optiques intelligentes : optique non-linéaire