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Photonic-Electonic Integrated Circuits

L'avenir de la technologie haute vitesse

 

La photonique intégrée utilise la lumière au lieu de l’électricité pour l’informatique et le traitement de signaux

 

Les circuits intégrés photoniques sont plus rapides et plus efficaces que les circuits conventionnels

 

Les électrons interfèrent les uns avec les autres et engendrent une certaine lenteur, ce qui limite la rapidité des circuits conventionnels

 

Les technologies hybrides combinent circuits photoniques et électriques

Les circuits intégrés ou micropuces sont des composants essentiels de nombreuses technologies modernes, des dispositifs médicaux aux montres intelligentes en passant par l’aéronautique. Ils sont constitués d’une série de composants électroniques, tels que transistors, résistances et amplificateurs sur une plaquette semi-conductrice. La plupart des fonctionnalités en lien avec ces composants électriques peut être prise en charge par des composants photoniques, notamment des diodes laser, guides d’ondes, filtres et milieux de gain, pour former des circuits intégrés photoniques (CIP), dont le fonctionnement dépend de la lumière, et non de l’électricité (Figure 1).

Les CIP présentent de nombreux avantages comparés aux circuits conventionnels, entre autres une vitesse supérieure, une bande passante plus large et une réduction de la perte d’énergie. Les technologies hybrides utilisant à la fois des CIP et circuits intégrés, ainsi que des circuits exclusivement photoniques représentent un progrès technologique et scientifique avant-gardiste au-delà de l’ère électronique, repoussant les limites du possible en termes de télécommunications, d’informatique et de technologie de défense et de consommation.

photonic integrated circuits
Figure 1: Les circuits intégrés photoniques utilisent la lumière plutôt que l’électricité
Avantages et inconvénients : Comparaison circuits intégrés conventionnels / circuits intégrés photoniques
CaractéristiqueCircuits intégrés conventionnelsCircuits intégrés photoniques
Vitesse Faible Élevée
Bande passante Faible Élevée
Efficacité énergétique Faible Élevée
Dimensions Petites Grandes
Disponibilité Élevée Faible
Tableau 1 : Bien que les circuits intégrés photoniques offrent de nombreux avantages par rapport aux circuits intégrés conventionnels, leur disponibilité limitée et leurs dimensions plus grandes ont freiné leur utilisation

Les circuits intégrés conventionnels fonctionnent en conduisant l’électricité ou en permettant aux électrons de circuler librement dans le circuit. Les électrons sont des particules subatomiques à charge négative interagissant entre eux et avec d’autres particules. Ces interactions ralentissent les électrons dans leurs déplacements dans les circuits intégrés, limitent la quantité d’informations pouvant être transmises et génèrent de la chaleur, ce qui entraîne une perte d’énergie. Un dissipateur de chaleur ou une autre technique de refroidissement est le plus souvent nécessaire pour réguler la génération de chaleur, sans quoi les composants électriques risquent de subir des dommages irréversibles.

Les circuits intégrés photoniques utilisent des photons, particules élémentaires sans masse représentant un quantum d’énergie de lumière, au lieu d’électrons. Les photons se déplacent à la vitesse de la lumière dans le milieu de transmission, en n’interférant pratiquement pas entre eux. Cet avantage permet d’augmenter de manière significative la bande passante et la vitesse du circuit, tout en réduisant énormément la perte d’énergie, pour un meilleur rendement énergétique. Des techniques de multiplexage permettent d’envoyer un très grand nombre de signaux à travers une fibre optique monomode, dépassant de plusieurs ordres de grandeur le nombre de signaux pouvant être transmis par le cuivre. Un seul faisceau de fibre de câble à fibre optique d’un sous-marin transatlantique peut transmettre des millions d’appels téléphoniques simultanés sur environ 100 km avant que la moindre amplification soit nécessaire. Par ailleurs, les amplificateurs eux-mêmes sont des lasers à pompage optique : aucune technique électronique n’est employée.

En revanche, les dimensions des CIP ne sont pas à leur avantage. Actuellement, la densité des transistors de circuits intégrés est d’environ cent millions de transistors par millimètre. Cela permet de produire des circuits intégrés à l'échelle nanométrique et de fabriquer des PC, smartphones et autres articles de technologie portable aux formats pratiques que nous connaissons. Même si les CIP sont de plus en plus petits, ils restent néanmoins à l’échelle du micron.

Technologie hybride : combinaison de circuits photoniques et conventionnels

Les CIP restent une technologie en développement. Les systèmes entièrement photoniques utilisant des CIP presque exclusivement avec des niveaux de complexité et d'infrastructure de dispositifs électroniques tels que les ordinateurs n’ont pas encore vu le jour. Pourtant, des composants de certains systèmes photoniques sont actuellement ajoutés ou remplacés au sein de systèmes électroniques plus volumineux, afin d’améliorer l'efficacité, plutôt que d’être utilisés au sein de systèmes entièrement photoniques. Cette progression est comparable à la manière dont les systèmes numériques ont remplacé peu à peu des composants analogues anciens, par exemple pour les thermomètres ou téléphones à cadran au cours de la deuxième moitié du 20ème siècle, avant de progresser vers des systèmes plus complets et plus complexes.

Cette tendance se reflète notamment dans le secteur des télécommunications, où des informations haut débit sont transmises via des guides d’ondes à fibre optique (Figure 2). Les informations doivent ensuite être converties en signaux numériques pouvant être traités par les dispositifs électroniques usuels, car les infrastructures énergétiques et réseaux de données traditionnels existent sur les structures électriques, tandis qu’elles n'existent pas sur les structures photoniques. Étant donné que les systèmes optiques offrent un meilleur rendement énergétique que les systèmes électriques, les CIP continueront probablement à remplacer les circuits intégrés conventionnels dans un nombre d’applications.


guides d’ondes à fibre optique
Figure 2: Les composants photoniques ont remplacé de nombreux composants électroniques dans le domaine des télécommunications en raison de leur efficacité et de leur rapidité

Le développement du silicium comme substrat semi-conducteur viable pour les composants photoniques rend l’intégration de CIP et de circuits intégrés plus facile à concrétiser. Les CIP sont le plus souvent fabriqués sur une grande diversité de substrats, parfois à couches multiples, par exemple à base d’InP et de GaAs. Cependant, face à l’omniprésence et à l’abondance des substrats en silicium pour la plupart des circuits intégrés et composants électroniques, l’intégration de CIP à des dispositifs existants sera nettement facilitée sur les substrats en silicium. Par exemple, le développement de diodes nanolaser intégrées à des micropuces en silicium facilite les communications sur puce et le traitement des données.

 

L’avenir : les circuits intégrés conventionnels aux oubliettes

On prévoit une augmentation du marché de la photonique au silicium de 25 millions de dollars américains en 2013 à plus de 700 millions en 2024, selon un rapport de Yole Développement de juillet 2014. Cette croissance explosive entraînerait le remplacement des circuits intégrés conventionnels par les circuits intégrés photoniques dans de nombreux secteurs, notamment les centres de données, l’informatique haute performance, la détection médicale, les télécommunications et les appareils grand public.

Au fur et à mesure que la quantité de données stockées et partagées continue d’augmenter, les demandes concernant les réseaux de communication et centres de données se multiplient. En ayant recours aux CIP et aux ordinateurs photoniques, les centres de données pourraient gérer des débits de trafic de données à l’échelle du terabit, réduire la consommation d’énergie de moitié, améliorer les vitesses de commutation et diminuer les coûts. Un exemple de progrès récent en informatique photonique : l’étude menée par Ritesh Agarwal de l’Université de Pennsylvanie concernant la conception de commutateurs optiques fonctionnant de manière similaire aux transistors électroniques. En appliquant un champ électrique à une bande de sulfure de cadmium à l'échelle nanométrique, il a été possible de mélanger des signaux optiques avec des pertes minimales. Grâce à leur haute vitesse, bande passante et efficacité, les CIP pourraient devenir un composant essentiel des technologies haute vitesse du futur.

 

FAQ

FAQ  Pourquoi les circuits intégrés photoniques offrent-ils un meilleur rendement énergétique que les circuits intégrés conventionnels ?
Contrairement aux électrons, les photons ne consomment pas d’énergie et ne génèrent pas de chaleur en se déplaçant. C'est pourquoi les circuits intégrés photoniques offrent un rendement énergétique bien plus intéressant que les circuits intégrés conventionnels.
FAQ  Existe-t-il des circuits intégrés photoniques disponibles dans le commerce ?

Oui, certains circuits intégrés photoniques sont disponibles dans le commerce, mais leur distribution n’est pas généralisée et ils restent nettement plus chers que les circuits intégrés conventionnels. On s’attend à ce que de plus en plus de circuits intégrés photoniques soient disponibles à un prix abordable au fur et à mesure que la technologie de photonique intégrée se développe.

FAQ  Peut-on acheter des circuits intégrés photoniques ou des composants pour CIP auprès d’Edmund Optics® ?

Non, Edmund Optics n’assure pas la vente de circuits intégrés photoniques ni de composants pour CIP pour le moment.

FAQ   Quels sont des exemples de dispositifs associant des circuits intégrés photoniques à des circuits intégrés conventionnels ?

À titre d’exemple de dispositifs combinant circuits intégrés photoniques et conventionnels, citons les petits lasers à pompage électrique, notamment les lasers à cascade quantique, les multiplexeurs optiques à insertion-extraction, les capteurs CMOS (semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire) et les diodes électroluminescentes organiques (DELO).

 

 

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