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Le silicium, bon pour le service optique

Jean-Charles Guézel

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L'amélioration des performances émissives du silicium autorise enfin l'intégration de fonctions optiques et électroniques au sein d'une même puce très peu coûteuse.

À force de persévérance, ils ont fini par y arriver. Rendre le silicium compatible avec les applications optoélectroniques qui lui échappaient jusque-là. L'enjeu est de taille. Pas tant technique, d'ailleurs, qu'économique. Car si cette intégration était possible, c'était au prix de l'utilisation de matériaux beaucoup plus exotiques : phosphure ou nitrure de gallium (composés III-V) notamment. Avec le silicium, c'est la production à grande échelle qui est visée, au moyen d'équipements guère différents de ceux que l'on trouve dans les usines courantes de circuits intégrés.

Cette petite révolution s'est faite en plusieurs étapes. D'abord celle de l'amélioration les propriétés émissives du silicium. En la matière, STMicroelectronics s'est distingué en obtenant des puissances d'émission lumineuse plus élevées de deux ordres de grandeur (1 mW et bientôt 2 mW par mètre carré de silicium) que les valeurs relevées jusque-là. Au point de dépasser les composés III-V dans certains cas... Ce gain spectaculaire a été rendu possible grâce à l'incorporation de lanthanides au sein d'une fine couche (1 000 Å) de SRO (silice dopée aux nanocristaux de silicium) réalisée par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). La longueur d'onde émise dépend du matériau implanté : 454 nm pour le cérium, 545 nm pour le terbium, 1 540 nm pour l'erbium...

Des sauts technologiques majeurs

De là à réunir diode électroluminescente (Led), guide d'onde et ensemble détecteur/électronique de traitement sur une puce, il n'y avait qu'un pas. Franchi expérimentalement par le même ST. À terme se dessine aussi la possibilité de lancer des circuits de puissance à commande optique - galvaniquement isolée - intégrés.

Dans un autre registre, celui des télécommunications, un saut technologique vient aussi d'être franchi, par Intel cette fois, sur la voie du mythique laser sur silicium. Saut qui se décompose en réalité en plusieurs petits pas. Pour commencer, la mise au point d'un modulateur optique réellement efficace puisque fonctionnant à 1 GHz - et bientôt à 10 GHz -, c'est-à-dire 50 fois plus rapide que les dispositifs silicium disponibles. Le fonctionnement de ce composant repose sur la modulation de l'indice de réfraction d'un guide d'onde inséré dans un condensateur Mos. Le faisceau lumineux à moduler est séparé en deux branches entre lesquelles il est possible de créer, très rapidement, un déphasage optique de 180°. En sortie, la réunion des deux faisceaux permet soit de reconstituer le signal initial, soit de l'annuler : l'équivalent optique des 0 et des 1 de l'électronique numérique.

Restait à générer un faisceau d'une puissance convenable... Intel y est parvenu en construisant le premier laser à émission continue sur silicium. Comment ? Grâce à l'effet Raman, autrement dit l'amplification d'un signal optique du fait des impacts qui se produisent entre les photons et les atomes au sein d'une fibre. Un phénomène qui se révèle beaucoup plus fort dans le silicium que dans le verre des fibres classiques, ce qui permet de le confiner dans un guide miniaturisé, tenant dans une simple puce.

Amplificateur, modulateur : il n'y a plus qu'à regrouper ces deux éléments, et à y ajouter une source, laquelle reste externe dans le prototype d'Intel. Mais tout porte à croire que cette intégration totale sera d'ici peu à la portée du fondeur.

EN BREF

Le problème - Remplacer les coûteux composés III-V par du silicium dans les composants optroniques courants, voire les lasers. La solution - Texturer le silicium (création de porosité, mise en oeuvre de nanocristaux...) en y incorporant des terres rares. - Confiner l'émission Raman dans des microguides d'onde.

LED ET OPTOCOUPLEURS PLUS ACCESSIBLES

- Le dopage aux ions lanthanides (cérium, terbium, erbium...) donne à ces diodes électroluminescentes en silicium une large palette de couleurs et d'excellentes propriétés émissives. Leur prix devrait être revu à la baisse par rapport à celui des composants optoélectroniques traditionnels à base de composés III-V.

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