Oxydes fonctionnels intégrés sur technologie silicium pour la photonique – FOIST

Les communications optiques sont devenues l'épine dorsale des systèmes de communication actuels compte tenu de la croissance permanente des flux de données. Pour relever le défi lié à cette demande, et en raison de leur compatibilité avec des capacités de production de masse, les procédés de fabrication CMOS ont un potentiel unique pour mettre en œuvre des puces optoélectroniques ultra-compactes répondant à ces exigences et devenant ainsi la première technologie en optique intégrée. Une solution pour obtenir une transmission accrue en débit de données avec des coûts raisonnables repose sur la parallélisation des canaux obtenue par le biais du multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM). Si dans le principe la photonique sur silicium a tous les éléments de base et propose déjà des solutions commerciales pour les centres de données, en utilisant des systèmes disponibles basés sur un à quatre supports optiques, chacun utilisant un laser III-V différent, cette approche n'est pas à même de fonctionner pour des centaines de canaux de longueur d'onde différentes, l'augmentation du nombre de lasers entraînant inévitablement des protocoles d'intégration compliqués associés à une augmentation considérable de la consommation en énergie des circuits.
Dans ce contexte, le projet FOIST est consacré au domaine émergent des communications optiques sur puce visant une faible consommation d'énergie, une taille compacte et une bande passante élevée. Il vise à développer une nouvelle approche technologique basée sur la combinaison des oxydes fonctionnels avec la photonique silicium pour aborder le développement de sources produisant des peignes de fréquence amplifiés dans la bande C (1535nm-1565nm). Le concept innovant repose sur l'utilisation d'une seule source de pompage pour générer et amplifier simultanément plusieurs canaux cohérents et équidistants. Ce projet exploitera le coefficient Kerr non linéaire élevé, les faibles pertes en transmission et l'ingénierie des oxydes fonctionnels dopés avec des terres rares pour la réalisation d'émetteurs Kerr amplifiés à longueurs d'onde multiples sur une plate-forme photonique silicium. Jusqu'à présent, principalement le silicium et son nitrure sont utilisés pour développer des peignes de fréquence optique Kerr. L'efficacité du peigne de fréquence à base de silicium est entravée par de fortes pertes non linéaires dues à l'absorption de deux photons (TPA). De plus, aucune de ces solutions ne peut fournir une amplification des canaux de sortie.
En regroupant les compétences de trois partenaires académiques (C2N, IOGS-LCF et IPREM-UPPA) et d'un partenaire industriel (STMicroelectronics), acteur majeur de la photonique silicium, le consortium développera un circuit photonique avancé multi-longueurs d’ondes au TBit/s sur plateforme silicium. Le projet repose sur trois pivots préalablement étudiées par les partenaires, à savoir : la mesure de la réponse optique Kerr de l’oxyde YSZ par le C2N et l’IOGS-LCF, l’obtention de la propagation de la lumière sur des guides intégrés sur le silicium par le C2N, l’obtention de fortes propriétés de photoluminescence dans des films d’YSZ dopé à l’Erbium par le C2N. Les principaux objectifs du projet FOIST visent à couvrir l'aspect théorique de la réponse non linéaire Kerr des oxydes fonctionnels qui est mal connue, la démonstration de la génération de peignes hybrides intégrées et l'amplification de la lumière sur puce dopée par des terres rares. L'intégration complète de la source et de l'amplificateur avec d'autres blocs de construction Si sera abordée, grâce au travail mené avec STMicroelectronics. Les résultats scientifiques et techniques seront publiés dans des articles scientifiques et présentés lors des conférences pertinentes tout en s’assurant d’une protection adéquate de la propriété intellectuelle au travers de brevets. Ce travail participera à la visibilité des activités de recherche amont de STMicroelectronics auprès de ses clients.