Photonique sur silicium : des lasers III-V intégrés sur wafer
Et si la photonique sur silicium était sur le point de franchir un cap décisif dans sa quête d'industrialisation ? C'est ce que laisse penser une récente publication dans la revue Nature, relatant les travaux de chercheurs belges de l'imec et de l'Université de Gand. En effet, ces derniers sont parvenus à faire croître directement des lasers en matériaux III-V sur un wafer en silicium de 300 mm, le standard de l'industrie des semi-conducteurs. Une première encourageante pour cette technologie émergente prometteuse.
L'intégration monolithique comme clé
Le point fort de ces travaux réside dans le caractère monolithique de l'intégration. Contrairement aux méthodes habituelles nécessitant des étapes de collage ou de report, ici les lasers III-V sont en contact direct avec le substrat en silicium monocristallin. Un véritable défi compte tenu du désaccord de maille cristalline entre les deux matériaux, qui génère des dislocations délétères pour les performances des composants.
Pour contourner cet obstacle, les chercheurs ont fait preuve d'ingéniosité :
Les dislocations suivent un plan cristallin avant d'être absorbées par un mur de silice.
– Laurent Vivien, directeur de recherche CNRS
Grâce à ces tranchées de silice agissant comme des barrières, la propagation des défauts est stoppée, permettant aux lasers de fonctionner de façon optimale. Une technique astucieuse mise au point par le Pr Dries Van Thourhout de l'Université de Gand il y a une dizaine d'années.
Un procédé compatible avec la microélectronique
Outre la prouesse technologique, l'autre fait marquant est l'utilisation d'une ligne pilote de micro-électronique pour mener à bien la démonstration. Travailler sur des wafers 300 mm, le standard actuel, ouvre clairement la voie à un transfert industriel de la technologie. De quoi envisager sereinement une production à grande échelle et à moindre coût de circuits photoniques sur silicium.
Si les lasers fabriqués émettent pour le moment à une longueur d'onde de 1020 nm, non-standard en télécoms, des applications en optique quantique ou détection biologique sont envisageables. Le prochain défi consistera à les coupler à d'autres briques de base de la photonique silicium, comme des guides d'onde ou des modulateurs.
Les avantages de la photonique sur silicium
Rappelons que la photonique sur silicium vise à exploiter la maturité technologique et les capacités de production massives de la micro-électronique silicium pour fabriquer des composants optiques. En particulier des circuits photoniques intégrés (PIC) combinant sur une même puce lasers, guides d'onde, modulateurs, photodétecteurs... Le tout avec une grande compacité et un faible coût potentiel.
Parmi les applications phares figurent les liens optiques à haut débit et faible consommation pour les data centers, le calcul optique, les capteurs ou encore les lidars. Des marchés en pleine expansion pour lesquels la photonique silicium a de sérieux atouts à faire valoir, à condition de réussir son passage à l'échelle industrielle.
De ce point de vue, les travaux des chercheurs belges constituent indéniablement une avancée significative. Même s'il reste encore du chemin à parcourir, la perspective d'une production en grand volume de PIC sur silicium se rapproche. De quoi conforter tous ceux qui voient en cette technologie un futur pilier de notre monde numérique.
