Histoires de réussite

Un matériau courant, mais doté de caractéristiques extraordinaires

Photo de Leslie Rusch et Wei Shi
Un modulateur entièrement en silicium mis au point par la professeure Leslie Rusch (à gauche) et le professeur Wei Shi de l’Université Laval présentant le débit de transmission le plus rapide jamais atteint en photonique sur silicium. Leur composant à faible coût et à faible consommation énergétique, produit par des procédés courants de microélectronique, résout un problème important dans la conception de circuits à semi-conducteurs de prochaine génération. Photo : Reinier deSmit

Afin de répondre aux efforts incessants pour des infrastructures informatiques plus efficaces et plus rapides, les circuits à semi-conducteur sont un amalgame de matériaux exotiques, la plupart d’entre eux étant coûteux à obtenir et difficiles à transformer. Mais est-il possible d’atteindre les caractéristiques de ces composés particuliers avec un matériau courant ?

Deux professeurs de l’Université Laval viennent justement de réaliser cet exploit. En mettant en commun leur expertise des systèmes et des dispositifs, Leslie Rusch et Wei Shi ont trouvé une façon de simplifier la base de matériaux pour les composants clés de ces circuits essentiels. Plus particulièrement, ils ont conçu un modulateur fabriqué entièrement avec l’élément le plus couramment utilisé et le plus économique dans le domaine : le silicium.

« Malheureusement, le silicium n’est pas un matériau adéquat pour les modulateurs », souligne Shi, détenteur d’une chaire de recherche canadienne en photonique sur silicium, mettant en contraste ses caractéristiques avec celles de composés plus couramment utilisés, comme le phosphure d’indium ou le niobiate de lithium. Toujours est-il que, en tant qu’élément de prédilection utilisé en fabrication de circuits à semi-conducteur, le silicium se prête bien aux procédés conventionnels de fonderie pour la fabrication de systèmes photoniques sur silicium compatibles aux circuits CMOS.

Il ajoute qu’il y a eu diverses tentatives pour incorporer plus de silicium dans les dispositifs photoniques, mais que la mise au point de ces hybrides les a rendus tout aussi coûteux ou problématiques que les autres filières techniques. De plus, les entreprises ne souhaitent pas vraiment adopter de nouvelles méthodes susceptibles de changer de fond en comble leurs chaînes de production, ce qui nécessiterait des investissements dans de nouveaux équipements ou qui pourrait endommager du matériel existant.

Le silicium pur ne présente pas ce type de problèmes, car le coût et les propriétés sont bien établis, ce qui évite les surprises indues dans ce secteur. « Une solution photonique entièrement sur silicium présente les avantages d’un coût moindre, d’une faible puissance et d’un encombrement réduit », ajoute Rusch.

À la clé de ce concept résident l’optimisation d’une option économique qui améliore la transmission de signaux lumineux à travers le modulateur ainsi que le recours à un format avancé appelé modulation d’amplitude de quadrature (MAQ) pour améliorer la détection de signaux.

« Une solution photonique sur silicium comporte les avantages d’un faible coût,
d’une faible puissance et d’une plus petite empreinte. »

Même si Shi se spécialise dans la conception de circuits, il fait valoir que le matériel ne peut être évalué que dans le cadre d’un système fonctionnel, où le champ de spécialisation de Rusch a joué un rôle de premier plan. Titulaire d’une chaire de recherche du Canada en systèmes de communications facilitant l’informatique en nuage, son laboratoire a hébergé les expériences de transmission cohérente qui ont permis d’établir le potentiel du concept.

Dans leurs premiers essais, un modulateur fabriqué entièrement en silicium par des techniques industrielles courantes a atteint un débit de 100 Gigabaud, la transmission la plus rapide de l’histoire en photonique sur silicium. « Pour autant que nous sachions, ceci constitue la première démonstration de ce débit de génération de signal à l’aide d’un modulateur entièrement en silicium », confirme Rusch.

Cette réalisation impressionnante a été décrite en détail dans un article hors thème que Rusch a présenté au prestigieux congrès OFC (Optical Fiber Communication Conference) en 2019, à San Diego.

Shi et Rusch ont rendu l’honneur à CMC Microsystèmes pour sa contribution à cet exploit. « CMC a fourni les technologies qui ont rendu possible cette réalisation », précise Shi. « Ils ont également contribué à la fabrication de notre matériel, grâce à leur accès aux procédés de fabrication d’avant-garde », ajoute Rusch. « Leurs outils, leurs services et leur expertise ont joué un rôle essentiel dans l’obtention de nos résultats. Rien n’aurait été possible sans leur apport ».

Les retombées de ces travaux de recherche sur les innovations futures se font sentir bien au-delà des murs de l’Université Laval : Shi dirige des ateliers pour le Réseau national de conception en photonique sur silicium, permettant aux professeurs et aux étudiants canadiens d’avoir accès aux connaissances les plus récentes dans ce champ de recherche en pleine ébullition.

février 2020

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