Association lumineuse entre silicium et laser !

Des chercheurs de Télécom ParisTech, dans le cadre d’une collaboration avec l’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB), ont mis au point de nouvelles sources optiques. Faiblement énergivores et très stables en température, ces lasers disposent de performances prometteuses pour la photonique sur silicium. Ils ouvrent ainsi de nombreuses perspectives d’amélioration pour les systèmes de transmission très haut-débit, les datacoms, sans oublier les supercalculateurs. Les résultats ont été publiés cet été dans la revue Applied Physics Letters, éditée par AIP Publishing.

La photonique sur silicium est une discipline qui ambitionne de révolutionner l’industrie de la micro-électronique et les technologies de communication. Il s’agit d’une combinaison de deux des inventions parmi les plus importantes à savoir le circuit intégré en silicium et le laser semi-conducteur. L’intégration de fonctions laser à des circuits en silicium ouvre de nombreuses perspectives, car elle permet un transfert rapide des données sur des distances plus longues par rapport à l’électronique classique, tout en s’appuyant sur l’efficacité de fabrication du silicium à grande échelle. Problème : le silicium lui-même n’est pas un très bon émetteur de lumière. Les émissions laser sont donc plutôt réalisées avec des matériaux alliant un élément chimique de la colonne III du célèbre tableau périodique, et un élément de la colonne V. Concrètement, du bore ou du gallium avec de l’arsenic ou de l’antimoine.

Des chercheurs de Télécom ParisTech et de l’université de Californie à Santa Barbara (UCSB) viennent de proposer une nouvelle technologie d’élaboration de ces composants III-V, par croissance directe sur le silicium. Cette prouesse technologique permet d’obtenir des composants présentant des performances remarquables en termes de puissance de sortie, de courants d’alimentation et de robustesse à la température. Les résultats montrent aussi une stabilité accrue de ces sources vis-à-vis des réflexions parasites, un point crucial pour la production de systèmes de communication à bas coût, sans isolateur optique. Les géants industriels comme Nokia, Bell Labs, Cisco, Apple mais aussi des acteurs majeurs du numérique comme Google ou Facebook fondent beaucoup d’espoir sur cette technologie. Elle leur permettrait de développer la prochaine génération de systèmes optiques opérant à très haut débit.

L’approche actuellement privilégiée par l’industrie est basée sur le collage thermique d’un laser à semi-conducteurs (réalisé avec un matériau III-V) sur un substrat de silicium structuré afin de guider la lumière. Non optimal au niveau des coûts, le collage thermique n’est pas aisé à remplacer, car silicium et III-V ne sont pas des éléments naturellement compatibles. Or cette nouvelle technologie ouvre la voie à la réalisation de sources laser directement sur silicium, prouesse bien plus compliquée à atteindre que pour d’autres composants (modulateur, guides, etc.). Depuis quelques années, le silicium est devenu un composant essentiel de la micro-électronique. Et ces nouvelles sources optiques sur silicium vont permettre à l’industrie d’adapter ses procédés de fabrication sans les changer, tout en répondant aux enjeux actuels : fournir des débits plus élevés compatibles avec les défis de réduction des coûts, des dimensions et de la consommation d’énergie.

Cette avancée est le résultat d’une collaboration entre Frédéric Grillot, chercheur à Télécom ParisTech, et John Bowers, chercheur à l’UCSB. Les travaux de l’équipe du Professeur Bowers sont à l’avant-garde du développement de la technologie qui a conduit au premier laser « hybride III-V sur silicium » en 2006 avec Intel. Cette technologie a été distinguée en 2007 par le « ACE Award » (Annual Creativity in Electronics) comme étant la plus prometteuse. La collaboration de John Bowers avec Frédéric Grillot et son équipe est l’une des seules hors États-Unis.

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