ENGINEERINGNET.BE - L’avantage : des débits de données plus élevés et une consommation d’énergie réduite.
Elles sont principalement dissimulées derrière les murs des data centers mais deviendront à terme aussi omniprésentes que leurs homologues électroniques.
Comment fonctionnent-elles, et dans quel type d’applications vont-elles émerger ? Quel rôle notre pays joue-t-il dans cette révolution ?
La lumière fascine les scientifiques depuis des siècles. Dès le 17e siècle, l’homme a construit des instruments sophistiqués fondés sur la lumière. Le télescope et le microscope ont changé à jamais notre vision du grand et du petit. Des lunes de Jupiter aux plus petites bactéries : tout est devenu visible. Cependant, la nature même de la lumière est longtemps restée mystérieuse.
La lumière est-elle une onde ? Ou est-elle constituée d’un flux de particules ? Ce n’est qu’au 19e siècle et au début du 20e siècle que les scientifiques ont commencé à trouver des réponses à ces questions fondamentales. Grâce aux travaux de notamment James Clerk Maxwell, qui a décrit les lois de l’électromagnétisme, et d’Albert Einstein, qui a expliqué l’effet photoélectrique, il est devenu évident que la lumière se comporte parfois comme une onde électromagnétique et parfois comme une particule. Cette dualité a conduit au concept de ‘photon’ : une particule sans masse qui se déplace à la vitesse de la lumière.
Ces découvertes ont contribué à l’émergence de la mécanique quantique, une branche de la physique qui a expliqué le comportement de la lumière mais aussi ouvert la voie à toute une génération de technologies : de la télévision aux tubes cathodiques en passant par la pellicule photographique. Dans la seconde moitié du 20e siècle, une nouvelle dimension a été ajoutée : le semi-conducteur. Après l’invention du transistor en 1947 et du circuit intégré en 1958, des avancées majeures ont suivi dans le domaine des composants capables d’émettre ou de détecter de la lumière. Au début des années 1960, la diode électroluminescente (LED), la diode laser et la photodiode ont été mises au point.
Aujourd’hui, les puces qui émettent ou détectent de la lumière sont omniprésentes. Voyez les capteurs d’imagerie CMOS dans les caméras et les smartphones, ou encore la communication par fibre optique qui constitue l’épine dorsale de l’internet. De nombreux écrans de télévision utilisent la technologie LED, et la reconnaissance faciale de certains smartphones repose sur des lasers tels que les VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers).
La percée de la photonique sur silicium
En théorie, travailler avec la lumière permettrait d’obtenir des systèmes plus performants, plus compacts, plus fiables et moins coûteux. Il n’est donc pas étonnant que, dès les années ’60, on se soit intéressé à une intégration sur une puce d’un système optique dans lequel les photons pourraient circuler. Il faudra toutefois attendre près de 50 ans avant que les premiers PIC (Photonic Integrated Circuit) ne fassent leur apparition sur le marché.
Il y avait des obstacles techniques. Le premier a concerné le choix des matériaux. Dans le domaine des puces électroniques, le silicium s’est rapidement imposé comme matériau de base, mais il en allait autrement en photonique. Au départ, le silicium semblait moins adapté, car il n’émet pratiquement pas de particules de lumière. L’attention s’est donc principalement portée sur les semi-conducteurs dits III-V, tels que l’arséniure de gallium, le phosphure d’indium et leurs dérivés. Cela a conduit au succès commercial des composants photoniques tels que les diodes laser, mais les circuits photoniques intégrés, eux, n’ont pas vu le jour.
Fin du siècle dernier, le silicium a fait son grand retour. Malgré ses limites, les chercheurs ont compris qu’il permettrait de réaliser des fonctions photoniques, à l’exception de la source lumineuse. Et surtout, les PIC en silicium pouvaient être fabriqués dans les mêmes usines et fonderies que celles où sont fabriquées les puces électroniques. Un avantage d’échelle déterminant : il était soudainement possible de fabriquer des produits innovants basés sur les PIC dans des infrastructures existantes, même si le marché initial restait modeste. La photonique sur silicium était née.
Le développement s’est accéléré vers l’an 2000, d’abord au sein de la communauté scientifique, puis dans l’industrie. Les composants de base ont été mis au point à un rythme effréné, comme les guides d’ondes à faibles pertes optiques (pour établir des connexions au sein des circuits), les filtres optiques, les modulateurs et détecteurs à grande vitesse. Après le développement des composants de base, des plateformes ont vu le jour pour développer des puces photoniques. Elles ont d’abord été fabriquées sur des plaquettes de 200 mm, puis sur des plaquettes de 300 mm. Aujourd’hui, on compte une vingtaine de plateformes de ce type dans le monde, dont environ la moitié dans des environnements de recherche et l’autre moitié dans des usines de fabrication industrielles telles que GlobalFoundries, Tower Semiconductor et TSMC.
Le problème de la source lumineuse, lui, subsistait. Le silicium n’émet pratiquement pas de photons. Les ingénieurs ont résolu le problème en ajoutant des nouveaux matériaux à une plateforme photonique sur silicium. L’exemple le plus important est l’ajout de phosphure d’indium (InP), un semi-conducteur capable de gérer les longueurs d’onde utilisées dans les télécommunications par fibre optique. Aujourd’hui, l’intégration d’autres matériaux dans la photonique sur silicium est très demandée pour améliorer les performances des puces ou offrir de nouvelles fonctionnalités. La liste des nouveaux matériaux est longue, mais l’exemple le plus important aujourd’hui est le niobate de lithium (LiNbO 3) qui permet une modulation ultra-rapide de la lumière.
Nouvelle gamme d’applications
Le marché des PIC est aujourd’hui dominé par les applications de données et de télécommunications, en particulier les ‘transceivers’. Ces composants convertissent les signaux électriques numériques en signaux optiques modulés et inversement, à des vitesses vertigineuses de plusieurs centaines de gigabits par seconde. Les signaux optiques peuvent ensuite être transportés via la fibre optique. Dans les data centers, les milliers de serveurs sont interconnectés par fibre optique, ce qui nécessite un grand nombre de transceivers. Chaque année, des millions de transceivers basés sur la technologie PIC sont produits à l’échelle mondiale et trouvent leur place dans les data centers.
Outre le marché des transceivers, toute une gamme de nouvelles applications s’ouvre aux PIC en silicium. Les startups et les scaleups développent des solutions innovantes qui dépassent le cadre des télécommunications. On peut citer les biocapteurs pour un diagnostic rapide ou les capteurs qui surveillent la stabilité des structures et des éoliennes. Les gyroscopes optiques pour la navigation, la détection de gaz, les capteurs LiDAR et la RA/RV font également partie des domaines d’application. Aujourd’hui, seuls quelques-uns de ces produits sont disponibles dans le commerce, souvent en quantités modestes. Mais le potentiel est immense : la photonique peut redessiner des secteurs entiers. Sans parler de l’intelligence artificielle, un autre domaine où la photonique va jouer un rôle clé.
De l’IA aux ordinateurs quantiques
Les interconnexions que l’on trouve aujourd’hui dans les data centers ne sont pas suffisamment performantes pour les applications IA. Elles doivent fonctionner à des débits de données plus élevés, consommer moins d’énergie et être à proximité immédiate des CPU et des GPU. Une véritable course est engagée entre les entreprises d’IA pour développer ces nouveaux systèmes d’interconnexion. L’intégration hétérogène dans la photonique sur silicium suscite de grandes attentes.
Et ce n’est qu’un début : la photonique va permettre des connexions plus rapides mais aussi de nouvelles formes d’informatique. On prend progressivement conscience que le rôle de la lumière dans les systèmes informatiques avancés va largement dépasser celui des interconnexions rapides. Les chercheurs travaillent sur de nouvelles architectures informatiques où la lumière joue un rôle central. Cela va de la multiplication optique vecteur-matrice pour les réseaux neuronaux aux composants de base des ordinateurs quantiques.
Dans les ordinateurs quantiques du futur, la lumière pourrait servir à connecter des qubits (bits quantiques), à les manipuler ou à les lire. Leur fonctionnement reposera probablement sur une combinaison de traitement de signaux électromagnétiques à des températures extrêmement basses et d’échanges de signaux optiques à température ambiante. Cela nécessite des amplificateurs électro-optiques capables d’assurer une transition fluide entre les qubits électriques et optiques. Dernièrement, des chercheurs de l’imec ont mis au point un nouveau matériau aux propriétés électro-optiques optimales, permettant la réalisation d’un tel ‘commutateur optique’, pour les ordinateurs quantiques. De plus, le matériau peut être intégré sous forme de film mince sur des plaquettes pour la production de puces photoniques. De telles avancées montrent que nous passons de concepts expérimentaux vers des solutions évolutives susceptibles d’avoir un impact considérable à long terme.
BIO
Roel Baets est professeur émérite à l’Université de Gand et à l’imec. Durant de nombreuses années, il a présidé le groupe de recherche Fotonica à l’UGent – imec et contribué à la recherche sur la photonique intégrée (silicium, nitrure de silicium, III-V) et ses applications dans les datacom/telecom et les capteurs médicaux et environnementaux. Il a fondé et présidé ePIXfab, l’European Silicon Photonics Alliance, et continue de conseiller la communauté photonique sur silicium. Il est Fellow de IEEE, de l’EOS et d’Optica. Les John Tyndall Award 2020 et IEEE Photonics Award 2023 lui ont notamment été décernés.
BIO
Joris Van Campenhout est directeur du programme input/output (I/O) optique chez imec. À ce titre, il dirige le programme R&D en affiliation industrielle qui développe des solutions I/O optiques innovantes pour l’intelligence artificielle (IA) de nouvelle génération, le calcul haute performance (HPC) et les systèmes de data centers cloud. Après l’obtention d’un doctorat en électrotechnique et une mission postdoctorale à l’IBM Watson Research Center aux Etats-Unis, il a occupé diverses fonctions au sein de l’imec, où il a obtenu des résultats majeurs en R&D dans le domaine de la technologie photonique sur silicium. L’impact de son travail a été reconnu en 2020 par le titre imec Fellow.
La Belgique, pionnière en photonique sur silicium
Depuis des décennies, la Belgique joue un rôle de premier plan dans la recherche en photonique. Des groupes de recherche sont actifs dans des universités comme l’UGent, la VUB, l’ULB et l’Université de Mons.
Dans le domaine de la photonique sur silicium, la Belgique peut être qualifiée de pionnier mondial. Grâce aux efforts de recherche conjoints de l’UGent et de l’imec au cours des 25 dernières années, un rôle de pionnier scientifique s’est affirmé. En 2010, alors qu’aucune grande fonderie n’était encore active dans ce domaine, imec a lancé le programme Optical I/O, essentiel pour l’interconnexion des unités de calcul. Aujourd’hui, une plateforme de production stable – la plateforme iSiPP – est disponible, ouvrant la voie à une fabrication à l’échelle industrielle.
Ces activités donnent naissance à de nouvelles entreprises. Luceda propose une plateforme logicielle pour la conception de puces photoniques. Sentea, une autre spin-off d’imec et de l’UGent, développe des capteurs à fibre optique pour la surveillance de grands ouvrages d’infrastructure, tels que les éoliennes. Axithra, une spin-off récente d’imec et de l‘UGent, utilise la photonique intégrée pour mesurer et surveiller les concentrations de médicaments dans le sang.
Imec.xpand, le fonds d’investissement deeptech lié à imec, contribue au financement et à la croissance d’entreprises de pointe qui misent sur la photonique pour se démarquer. Il a notamment investi dans Axithra, Swave, Eyeo, Nubis (qui développe une technologie d’interconnexion optique économe en énergie et qui a récemment été rachetée par Ciena pour 270 millions de dollars), Celestial AI (qui développe une technologie permettant d’accélérer les puces IA grâce à la lumière et qui a récemment été acquise par Marvell pour 3 à 6 milliards d’euros) et PsiQuantum (qui travaille sur un ordinateur quantique basé sur la photonique silicium et qui est devenue une licorne).
Dernièrement, Thema Foundries, le repreneur de l’usine de puces BelGaN à Oudenaarde, a annoncé la création d’une nouvelle unité de production de circuits intégrés photoniques sur le site. Via PhotonDelta, imec est connecté à l’écosystème néerlandais dans le domaine de la photonique intégrée, l’une des dix technologies clés sur lesquelles les Pays-Bas souhaitent investir. L’orientation technologique est complémentaire à celle de la Belgique : les Pays-Bas se sont historiquement concentrés sur les PIC en phosphure d’indium et en nitrure de silicium. Une capacité de production est en cours de développement pour ces deux types, respectivement chez SmartPhotonics à Eindhoven et New Origin à Twente. Pour la photonique sur silicium basée sur la technologie SOI (silicon on isolator), les Pays-Bas collaborent étroitement avec imec.
Sur la photo en haut: circuits photoniques intégrés sur une plaquette de 300 mm.
