La photonique sur silicium, une révolution

Adieu les fils de cuivre, place à une nouvelle technologie promesse d’efficacité énergétique, d’informatique ultrarapide et d’innovations médicales.

Par Benjamin Skuse

Des supercalculateurs les plus rapides au monde aux ordinateurs personnels ou aux téléphones portables, presque tous les appareils modernes transmettent leurs données via le mouvement d’électrons dans les fils électriques, à l’instar des télégraphes du XIXe siècle. Depuis des dizaines d’années, les fils de cuivre, fiables et économiques, relient des transistors et circuits imprimés toujours plus nombreux, sur des puces toujours plus compactes. Mais lorsque la miniaturisation des puces aura atteint ses limites physiques, les fils de cuivre ne feront plus l’affaire: bande passante restreinte, fuites électriques et diaphonie entre fils adjacents freinent l’innovation informatique. De plus, ils prennent de la place, consomment de l’énergie et dégagent de la chaleur.

Les technologies photoniques de pointe comme la fibre optique constituent une solution. En utilisant les photons plutôt que les électrons, elles offrent une transmission à la vitesse de la lumière et une bande passante bien plus élevée. Malheureusement, elles sont difficiles à commercialiser, car les substituer aux fils électriques dans les circuits intégrés est extrêmement coûteux. Il s’agit donc de trouver une technologie photonique que l’on puisse mettre en œuvre avec des méthodes de production de masse existantes et économiques.

C’est là qu’entre en jeu la photonique sur silicium. Elle consiste à fabriquer des puces de manière classique, mais à les doter d’un circuit en silicium pour émettre, guider et recevoir des signaux lasers porteurs de données précisément alignés. Capable de transmettre plus de données en consommant moins d’énergie, sans dégager de chaleur ni dégrader les signaux, elle révolutionnera bientôt de nombreuses technologies, notamment l’interconnexion de données, les supercalculateurs et les capteurs pour diagnostiquer des maladies, la surveillance de l’environnement ou la détection d’explosifs.

Une solution imparfaite

Si la photonique sur silicium semble idéale, les scientifiques se heurtent depuis plus de trente ans aux inconvénients du matériau pour émettre, guider et recevoir des signaux lumineux. Le silicium est opaque dans le spectre visible, mais transparent aux longueurs d’onde de l’infrarouge utilisées pour la transmission optique, si bien qu’il guide correctement la lumière. En revanche, il échoue à l’émettre. Lars Frandsen, expert en photonique sur silicium à la Danmarks Tekniske Universitet (DTU), explique:  «La largeur de bande interdite du silicium le rend transparent aux longueurs d’onde utilisées dans les télécommunications. Mais elle est indirecte, ce qui fait du matériau un mauvais émetteur de lumière.» C’est pourquoi les lasers des communications optiques sont faits de matériaux plus originaux comme le phosphure d’indium (InP) et l’arséniure de gallium (GaAs).

Autre faiblesse du silicium: même s’il parvient à émettre un signal lumineux, il peut difficilement être associé à d’autres signaux à des fins informatiques. «Lorsque la puissance de pompe est élevée, le silicium connaît d’importantes pertes de signal, car les guides d’onde en silicium contiennent de nombreux photons», ajoute le chercheur.

La photonique sur silicium aujourd’hui

Malgré ses failles, des appareils utilisant cette technologie apparaissent sur ce marché. En 2008, la société californienne Luxtera a commercialisé avant ses concurrents ses premières solutions d’interconnexion optique. Il s’agit de petites puces en silicium qui remplacent certaines connexions en cuivre. Elles comprennent des lasers en InP et des guides d’onde en silicium intégrés pouvant transporter jusqu’à 100 Gb  de données par seconde d’un ordinateur à l’autre, via des fibres optiques de quelques millimètres d’épaisseur.  «Les centres de données s’efforcent  de fournir une bande passante réseau  à la hauteur de la demande mondiale considérable en données, indique Ron Horan, vice-président Marketing chez Luxtera. Luxtera a déjà vendu plus d’un million de transcepteurs optiques, dont beaucoup de solutions à 100 Gb/s.»  En 2016, Intel a commercialisé des solutions de photonique sur silicium  pour les interconnexions optiques de commutateur à commutateur. IBM,  Cisco et d’autres acteurs travaillant  sur des technologies similaires, il est probable que l’interconnexion optique sera la première technologie de photonique sur silicium à s’imposer.

Et ce n’est là qu’un début. On s’attend à ce que cette technologie soit de plus en plus présente en informatique et permette aux supercalculateurs d’atteindre une vitesse exascale (1018 calculs par seconde), à peu près la puissance de traitement du cerveau humain au niveau neural. Le 24 décembre 2015, des chercheurs américains présentaient au monde, dans la revue Nature, le premier processeur hybride photonique-électronique à utiliser la lumière pour établir des communications ultrarapides. Avec ses deux cœurs de processeur (plus de 70 millions de transistors) et ses 850 composants photoniques, cette puce de 3×6 mm était le premier composant doté de l’interconnexion photonique (entrées/sorties) nécessaire pour échanger avec d’autres puces. Elle offrait une bande passante étonnamment dense: 300 Gb/s par mm2, soit 10 à 50 fois plus que les microprocesseurs 100% électroniques.

Une seule ombre au tableau: la puce recevait de la lumière d’un laser externe. Aujourd’hui encore, le défi consiste à développer et intégrer des lasers sur les puces. Attacher les sources de lumière au silicium a toujours été difficile, mais les physiciens Gregor Koblmüller et Jonathan Finley de la Technische Universität München ont récemment trouvé comment déposer des nanolasers sur les puces. Ils ont fait s’évaporer une fine couche d’oxyde de silicium sur la cellule et l’ont percée de petits trous, dans lesquels ils ont installé des nanofils de GaAs autonomes. Résultat: des lasers à nanofils 1000 fois plus fins qu’un cheveu humain. «Notre approche est novatrice et donne de bons résultats  en termes d’intégration précise de nanolasers sur une plateforme en silicium»,  se réjouit Gregor Koblmüller.

Photonique et santé

Le secteur de la santé bénéficiera lui aussi de cette technologie. Le projet européen CARDIS (Early stage CARdio Vascular Disease Detection with Integrated Silicon Photonics) cherche à l’utiliser pour identifier les individus présentant un risque de maladies cardiovasculaires, en développant un appareil portatif abordable, similaire  à un scanner de supermarché et permettant d’analyser les signaux vitaux du cœur en un clic. Il consiste en un vibromètre laser doté d’un système de photonique sur silicium multifaisceaux, un instrument mesurant sans contact les vibrations d’une surface, pour cibler et analyser les artères superficielles. «Une puce électronique ne peut pas détecter sans contact les mouvements de la peau à l’échelle nanométrique, explique Roel Baets de l’Université de Gand, coordinateur du projet. En revanche, une puce photonique sur silicium a toutes les fonctionnalités  d’un vibromètre laser à effet Doppler.»

Le coordinateur entrevoit d’autres applications possibles dans la santé: «On pourrait l’utiliser pour dépister le diabète et suivre facilement le niveau de glucose chez les patients, ou encore pour détecter des ions dans la sueur ou le souffle et établir un diagnostic.» Avec l’intégration de capteurs photoniques dans des puces en silicium, d’autres appareils pourraient être développés, comme les capteurs Lidar des véhicules autonomes et les capteurs chimiques servant au suivi environnemental. «L’Internet des objets nécessitera l’installation de milliards de capteurs dans notre société, déclare Lars Frandsen, ce à quoi devrait exceller la photonique sur silicium.»

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Une version de cet article est parue dans le magazine Technologist (no 14).