VCSELs pour la photonique intégrée compatible CMOS – PICSEL

La croissance continue et rapide du débit de transmission ainsi que de la puissance de traitement de l’information sont en passe de dépasser les capacités intrinsèques des systèmes et microcircuits électroniques, tandis les solutions optiques alternatives autorisant de très hauts débits de transfert de données (dopés par les systèmes de multiplexage en longueur d’onde), sont coûteuses et fortes consommatrices d’énergie. Les liens optiques à base de lasers à émission par la surface (VCSEL) émettant autour de 850nm, qui dominent pour les distances comprises entre et 1 et 100 mètres, contribuent à améliorer sensiblement le coût et la puissance consommée, mais ne sont pas en mesure de couvrir les besoins en matière d’interconnections pour les applications de masse, telles que les ordinateurs haute-performance et les centres de données. Le projet PICSEL est focalisé sur le développement d’un nouveau type de laser hybride III/V sur silicium. La source PICSEL est un laser à émission par la surface opérant dans la gamme 1,3µm à 1,5µm, dont les miroirs supérieurs et inférieurs sont constitués de Cristaux Photoniques formés dans un membrane de silicium, présentant des avantages déterminants par rapport aux VCSELs classiques, 1- cavité plus courte, 2- ajustage de la longueur d’onde d’émission par contrôle lithographique de la période et du facteur de remplissage du cristal photonique, et, 3- permettant le couplage latéral de la lumière dans un guide. Avec la source proposée, appelée VCSEEL, pour “Vertical Cavity Surface and Edge Emitting Laser”, le projet PICSEL adresse simultanément des enjeux importants tels que de coût, de densité de bande passante ainsi que de puissance :
- coût: la source laser sera développée dans une ligne de production compatible CMOS, permettant une production de masse bas coût ;
- densité de bande passante: la source VCSEEL est potentiellement plus rapide que les VCSEL conventionnels, étant dotés de cavités plus courtes; elle offre aussi la possibilité d’accroitre la densité de bande passante, en raison de sa capacité d’émettre aussi la lumière latéralement dans un guide silicium, ce qui permet de mettre en oeuvre le multiplexage des longueurs d’onde émises par plusieurs VCSEELs dans un seul guide;
- puissance: un courant de seuil inférieur au milliampère est anticipé ainsi qu’un rendement de 20%.
Cette nouvelle technologie annonce une nouvelle génération de dispositifs VCSELs, qui devraient entrainer un complet renouvellement de la photonique VCSEL conventionnelle, en utilisant les procédés d’élaboration compatibles CMOS disponibles, qui offrent de hauts rendements de fabrication. Egalement, le complet renouvellement des concepts physiques mis en jeu doit élargir considérablement la gamme de fonctionnalités accessibles ainsi que le spectre d’applications, à un degré dont il est encore prématuré de mesurer l’ampleur à ce jour. Cet aspect prospectif du projet sera adressé aussi dans PICSEL, avec la démonstration d’une fonctionnalité spécifique, le pilotage angulaire de la lumière émise par un réseau de VCSEELs dans l’espace libre.
Le consortium PICSEL est constitué de groupes leader dans le domaine et dotés de compétences complémentaires mises en œuvre selon une parfaite intégration verticale, couvrant toute la chaine conception, fabrication et test, s’appuyant sur des procédés de fabrication silicium compatibles CMOS de type « front end » ainsi que III-V de type back-end : à ces divers titres, le projet PICSEL ouvre la voie à une solution industrielle à échelle des 3 années de sa durée. De plus, les concepts prospectifs, dont la mise en œuvre est rendue possible par cette nouvelle architecture de laser, devraient offrir des performances accrues en matière de transmission et de traitement de l’information.