La photonique intégrée sur silicium

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1 L photonique intégrée sur silicium Lurent FULBERT, Sylvie MENEZO CEA-Leti Frédéric BŒUF, Jen-Frnçois CARPENTIER STMicroelectronics Delphine MARRIS-MORINI, Lurent VIVIEN Université Pris-Sud Gung-Hu DUAN III-V L lurent.fulert@ce.fr PROTOTYPAGE OPTIQUE MODIFICATIONS INFINIES Possiles sur plus de Produits Tritement Métllique L photonique intégrée sur silicium, qui consiste à utiliser les procédés de friction de l industrie microélectronique pour réliser des composnts photoniques, est considérée comme une technologie d venir critique pour les pplictions de communictions et de clcul à très hute vitesse. Cet rticle trite des différentes vncées rélisées pr les lortoires et industriels du domine, et présente les différents mrchés visés. Réduction de Dimètre Surfce Asphérisée Une technologie incontournle qui doit encore relever plusieurs défis L société fit ctuellement fce à une explosion des demndes de clcul, de stockge et de communiction. Le trfic d informtion progresse d environ 50 % chque nnée et devrit tteindre le seuil de 1 zettoctet/n (c est-à-dire octets) en Dns ce contexte, l circultion de l informtion numérique représente un goulot d étrnglement, depuis les liisons à grnde distnce à trvers le monde, les liens dns les dtcenters, jusqu ux interconnexions puce à puce et intr-puces. L utilistion de liisons optiques en remplcement des liisons électriques permettrit un gin spectculire en termes de nde pssnte, de consommtion énergétique et de densité. Pour relever ce défi, l idée d ppliquer les techniques de friction collective de l industrie microélectronique à l friction de circuits photoniques conduit à l émergence de l photonique intégrée sur silicium, c est-à-dire l intégrtion des fonctions photoniques vec des circuits électroniques à l échelle de l plque de silicium. Ces dernières nnées, l photonique sur silicium cquis un intérêt croissnt, poussée pr les résultts otenus pr les scientifiques et les cteurs industriels. De nomreux défis technologiques restent cependnt à relever : construction d un environnement de conception complet interfcé vec les outils de CAO (conception ssistée pr ordinteur) stndrds de l microélectronique ; développement de fonctions élémentires génériques pouvnt être utilisées pour un lrge éventil d pplictions : sources lser, modulteurs optiques, photodétecteurs, guides d ondes ; intégrtion des fonctions photoniques vec des fonctions électroniques pour friquer des dispositifs complexes ; mise en œuvre de moyens de test et de techniques de pckging à file coût prennt en compte des contrintes optiques, électriques et thermiques. Les outils de conception L rélistion de modules électro-optiques impose une rupture dns l pproche CAO commune en micro-électronique. On peut citer deux risons essentielles du point de vue conception : l Lentille issue du Ctlogue EO Ajout de Monture Service de Prototypge Optique Modifictions sur les dimensions, les surfces, les tritements, les ords et ien d utres possiilités! Livrison sous 2 SEMAINES minimum seulement Venez nous rendre visite u Slon Enov (Opto) 2014 à Pris, Septemre, Hll 7.2, Stnd E16 BESOIN D UN PROTOTYPAGE OPTIQUE? 1. Sélectionnez une optique stndrd en stock. 2. Définissez votre modifiction. 3. Contctez-nous pour l rélistion de l optique. +33 (0) Disponile sur le site ou 47

2 STMicroelectronics géométries comme le montre l figure 2. Les dimensions sont sumicroniques (section typique de 300 nm 500 nm), et les pertes de propgtion vrient de 0,3 db/ cm à plusieurs db/cm pour un guide à structurtion plus complexe comme les guides à cristux photoniques. De nomreuses fonctions ont pu être rélisées pour l distriution de l lumière [2], le multiplexge en longueurs d onde [3], le contrôle de l polristion de l lumière [4]. Figure 1. Exemple d ssemlge 3D d une puce électronique sur une puce photonique. première concerne les composnts photoniques pour lesquels l tolérnce ux procédés technologiques est excerée ; suivie de l ssocition nécessire d un circuit électronique minim nlogique à hute fréquence. Ceci impose de disposer de logiciels de clcul résolvnt les équtions de Mxwell et du semiconducteur fin de développer des modèles files des composnts. L co-conception grâce à deux PDKs (process design kits) regroupnt sous forme de iliothèques les composnts photoniques et électroniques est d ores et déjà rélisée pr STMicroelectronics dns le cs d une pproche hyride, c est-à-dire une puce photonique et une puce électronique ssemlées en 3 dimensions [1], comme montré à l figure 1. Cette plteforme de co-conception doit évoluer pour prendre en compte des modèles ou fonctionnlités plus complexes (comme les effets non-linéires ou le multiplexge en longueur d onde), insi que les contrintes spécifiques liées à l co-intégrtion des deux puces dns le même oitier. Les fonctions élémentires Le sustrt utilisé en photonique silicium est le silicium-sur-isolnt (SOI), le confinement de l lumière étnt ssuré pr le fort écrt d indice entre le silicium et l silice. Les longueurs d ondes utilisées sont les mêmes que dns les télécoms, utour de 1,31 μm et 1,55 μm. Guides, fonctions pssives L rique de se élémentire est le guide d onde, qui peut voir différentes Coupleurs d entrée/sortie Le circuit photonique devnt en générl communiquer vec le monde extérieur, il est nécessire de pouvoir injecter l lumière provennt d une fire optique vers le circuit et vice-vers. Le composnt le plus utilisé est le réseu de couplge surfcique, qui permet d une prt d dpter l tille du mode optique se propgent dns les guides du circuit à l tille du mode se propgent dns les fires monomodes stndrds, et d utre prt de psser d une propgtion guidée dns le pln de l plque à une propgtion en espce lire verticle ou qusi-verticle. L injection ou l collection de lumière pr l surfce fcilitent grndement le test utomtisé des composnts sur plque. Modulteurs Les effets d électro-réfrction clssiquement exploités pour réliser l fonction de modultion sont soit peu efficces (effet Kerr), soit inexistnts (effet Pockels) dns le silicium. L solution lterntive l plus courmment exploitée repose sur l vrition locle de l densité de porteurs lires dns le silicium (pr ccumultion, injection ou déplétion) pour créer une c d Université Pris-Sud Figure 2. Exemples de guides d onde silicium. () Guide d onde run pour le mode TE. () Guide d onde à fente. (c) Guide à cristux photoniques. (d) Guide d onde su-longueur d onde. 48

3 Université Pris-Sud c Figure 3. Exemples de diodes utilisées pour réliser l déplétion de porteurs dns le silicium : () diode pn ltérle, () pn interdigité et (c) pipin intégrées. vrition de l phse de l onde guidée (figure 3). L diode choisie pour créer le déphsge est insérée dns un interféromètre de Mch-Zehnder (insensile à l tempérture, peu sensile à l longueur d onde mis de plusieurs millimètres de long) ou dns un résonteur en nneu (sensile à l longueur d onde et l tempérture mis très compct). Les performnces tteignent des vleurs proches des modulteurs optiques en niote de lithium vec des ndes pssntes de plus de 40 Git/s, des pertes d insertion d environ 6 db et des tux d extinction dynmiques de l ordre de 8 db [5]. Les tendnces ujourd hui portent sur l réduction drstique de l puissnce consommée et de l tension de commnde, soit en optimisnt à l extrême des effets de vrition de porteurs en utilisnt de nouvelles géométries de guide d onde, soit en utilisnt d utres effets physiques comme l électro-sorption dns les lliges de germnium [6] ou l utilistion du silicium contrint pour exploiter l effet Pockels. Photodétecteurs Le mtériu de référence pour l détection de l lumière sur l plteforme silicium est le germnium grâce à son fort coefficient d sorption. Aujourd hui, les performnces des photodétecteurs germnium sont très proches des photodétecteurs à se de semiconducteurs III-V. En effet, des ndes pssntes u-delà de 100 GHz ont été démontrées vec des sensiilités de plus de 0,5 A/W [7] (figure 4). Afin d méliorer l sensiilité, des photodiodes germnium à vlnche sont ussi en cours de développement et ont donné lieu à des résultts prometteurs en termes de produit gin-nde pssnte. Lsers L source lser représente l un des premiers postes de l énergie consommée pour étlir une trnsmission optique de données [8]. Il est donc importnt de énéficier de sources lser à rendement à l prise élevé (rpport de l puissnce optique fournie sur l puissnce électrique requise). Le silicium ne permettnt ps d émettre de l lumière de mnière efficce, il fut fire ppel ux mtériux III-V (lliges d éléments des colonnes III et V du tleu périodique, de type InP ou GAs). Il existe ujourd hui trois pproches différentes pour réliser une source lser dns un circuit photonique sur silicium (PIC) : source externe, intégrtion hétérogène de 49

4 Université Pris-Sud Figure 4. () Vue schémtique d un photodétecteur germnium intégré en out d un guide d onde silicium. () Imge en coupe du photodétecteur otenue pr microscopie électronique. mtériu III-V sur silicium et croissnce de mtériu émetteur sur silicium. Dns l première pproche, le fisceu provennt d un lser clssique III-V est injecté dns le PIC silicium. Cette pproche utilise des lsers dont l technologie de friction est mture, mis le coût de rélistion est élevé en rison de l précision d lignement requise. L intégrtion hétérogène consiste à intégrer pr collge direct (ou collge moléculire) un mtériu III-V non structuré sur une plque de silicium dns lquelle les guides optiques sont déjà grvés. Le procédé technologique de rélistion des sources lsers est ensuite poursuivi, de telle sorte que l lumière émise pr ces mtériux III-V soit couplée vers les guides sur silicium. L lignement étnt rélisé de mnière collective et vec une précision excellente lors de l étpe de photolithogrphie, le coût de friction unitire est pr conséquent réduit pr rpport à l première pproche. L figure 5 montre une vue en coupe d un lser III-V sur silicium [9, 10]. Nous oservons u centre de ce schém un guide III-V, servnt uniquement à générer et mplifier l lumière, lors que l cvité est formée dns le silicium. L troisième pproche, encore en voie d explortion, utilise l croissnce directe sur silicium de mtériu de type germnium contrint ou de type III-V. Bien que de premiers résultts prometteurs ient été otenus en lortoire, le défi à relever pour otenir des lsers de performnce suffisnte est encore énorme. Figure 5. () Lser III-V sur silicium rélisé pr collge moléculire. () Puissnce optique dns le guide en fonction du cournt injecté pour un lser DBR (distriuted Brgg reflector). Le test sur plque Les testeurs sous pointes sont lrgement utilisés dns l industrie microélectronique pour mesurer les crctéristiques électriques des circuits intégrés sur plque, vnt découpe en puce et mise en oitier. Ces testeurs utomtisés permettent de crctériser dns un temps très court plusieurs milliers de composnts et d identifier éventuellement ceux qui ne répondent ps ux spécifictions. Des testeurs spécifiques ont été développés pour l photonique silicium (figure 6), en joutnt des «pointes optiques» (en rélité des fires optiques qui permettent d injecter ou de collecter l lumière) ux testeurs conventionnels, qui permettent de mesurer les prmètres optiques (pertes, propriétés spectrles, dépendnce en polristion ) ou CEA électro-optiques (seuil et rendement lser, sensiilité et cournt d oscurité de photodétecteurs, nde pssnte ). Applictions industrielles Le pssge de l recherche vers le développement d une plteforme industrielle en photonique sur silicium s ppuie sur l qulifiction de l technologie suivnt un schém de mturité démontrnt successivement l fisilité, l reproductiilité et l fiilité des procédés et des composnts optoélectroniques. Dtcoms Le domine des Dtcoms décrit l échnge de données numériques entre deux ordinteurs. En rison des spécifictions de qulité de trnsmission et de puissnce consommée, ces échnges se font générlement sur des distnces plus courtes qu en télécommunictions. Figure 6. Test sous pointes d une plque de photodiodes. Un signl optique est injecté pr l intermédiire de l fire optique à droite et l mesure est fite pr les pointes électriques à guche. CEA 50

5 Le développement du «Cloud», des réseux sociux et de l diffusion de vidéo sur Internet, conjugué à l générlistion des dispositifs moiles connectés, tels que les Smrtphones, ont pour conséquence l ugmenttion du nomre de données numériques stockées et échngées à trvers le monde. De mnière à pouvoir dresser ce mrché en plein essor, une technologie dptée à l production de forts volumes est développée pr STMicroelectronics. Une intégrtion de type 3D (voir figure 1) est retenue : l puce électronique contennt les circuits de contrôle digitux et nlogiques est ssemlée sur l puce photonique en utilisnt l technologie d ssemlge pr micro piliers de cuivre. Ceci permet d utiliser un lrge choix de technologies CMOS et BiCMOS pour l prtie électronique sns voir à redévelopper l prtie photonique. Télécommunictions Les pplictions en télécommunictions concernent surtout les trnsceivers (émetteurs et récepteurs) à l extrémité de liisons à fires optiques. Tous les segments du mrché des télécommunictions peuvent énéficier de l technologie de l photonique sur silicium : ccès, métropolitin et longue distnce. L photonique sur silicium semle ien dptée pour pénétrer le mrché des réseux d ccès, crctérisé pr un volume importnt et une forte exigence sur le coût des trnsceivers côté client. Les réseux métropolitin et longue distnce sont ujourd hui dominés pr l modultion multi-niveux de formt du type QPSK ou QAM et l réception cohérente. Des trnsceivers en photonique sur silicium sont églement en trin d être développés pour ces segments de mrché. Ces pplictions sont motivées pr les vntges potentiels que peut offrir l photonique sur silicium : i) l compcité, ii) l diminution de l consommtion, iii) l possiilité d intégrtion vec l électronique, et iv) l réduction du coût de friction. Cependnt, l photonique sur silicium ne peut s imposer véritlement comme une technologie de rupture que si les performnces sont conformes ux spécifictions et si le coût est compétitif fce ux utres technologies (l intégrtion III-V ou l ssocition des composnts discrets). Recherche collortive pour préprer les futures génértions L photonique intégrée sur silicium, étudiée depuis longtemps dns les lortoires de recherche, pris depuis peu son essor industriel. L Europe et l Frnce ont d excellents touts dns ce domine, grâce ux collortions étroites entre lortoires cdémiques, instituts de recherche et entreprises. Prmi les projets mjeurs, on peut citer l Institut de Recherche Technologique (IRT) Nnoelec [11], dont les prtenires principux sont le CEA-Leti, STMicroelectronics, Mentor Grphics et le CNRS, insi que le projet Européen PLAT4M [12], qui regroupe 16 prtenires dont le CEA-Leti, STMicroelectronics, Mentor Grphics, III-V l et l université Pris-Sud. Références [1] F. Boeuf et l., S13P3, in Proceedings of the Interntionl Electron Device Meeting (2013) [2] L. Vivien et l., Applied Physics Letters 85, (2004) [3] D. Bernier et l., Optics Express 16, (2008) [4] C. Alonso-Rmos et l., Optics Letters 37, (2012) [5] D. Mrris-Morini et l., Optics Express 22, (2014) [6] P. Chiskul et l., Nture Photonics 8, (2014) [7] L. Vivien et l., Optics Express 20, (2012) [8] S. Menezo et l., Evlution of opticl interconnects uilt up from complete CMOS- Photonics-devices-lirry, OIC 2013 [9] G.-H. Dun et l., Hyrid III-V on Silicon lsers for photonic integrted circuits on Silicon, IEEE JSTQE 20(4) (2014) [10] A. Descos et l., Heterogeneously integrted III-V/Si distriuted Brgg reflector lser with ditic coupling, Proc. ECOC 2013 [11] [12] WiDy SWIR 640 Votre solution InGAs HDR pour le proche Infrrouge (900 nm nm) Spécifictions Dynmique scène >140 db Sns refroidissement Résolution VGA et pixel de 15 μm USB 2.0 ou sortie Anlogique TV Applictions Imgerie lser (Télécommuniction, Industriel) Imgerie Industrielle proche Infrrouge (soudge, thermogrphie) Surveillnce côtière Cmérs éroportées 51