Les puces photoniques hybrides atteignent 581 Gbit/s
Les puces photoniques à côté d'une pièce de 5 €. Crédit: Hugo Laroque ©2026 EPFL
Une méthode d’assemblage à l’échelle de la plaquette mise au point à l’EPFL permet de réaliser des modulateurs optiques ultra-rapides en fixant du tantalate de lithium sur des plaquettes de semi-conducteurs en nitrure de silicium de 100 millimètres, permettant ainsi des débits de données supérieurs à 500 Gbit/s.
Les centres de données, les systèmes d’intelligence artificielle et les réseaux à haut débit dépendent des modulateurs électro-optiques. Ces dispositifs convertissent les signaux électriques en impulsions lumineuses destinées à être transmises par fibre optique. À mesure que les volumes de données augmentent, les modulateurs doivent offrir des débits plus élevés tout en restant stables et fabricables à grande échelle.
Les circuits intégrés photoniques en nitrure de silicium offrent de faibles pertes optiques et sont compatibles avec les procédés de fabrication de semi-conducteurs établis. Cependant, le nitrure de silicium ne permet pas une modulation électro-optique efficace. Les matériaux ferroélectriques tels que le tantalate de lithium le permettent, mais leur intégration à des plateformes compatibles avec les fonderies a posé des défis majeurs en matière de fabrication.
Des chercheurs de l'EPFL, de l'Institut de Shanghai des microsystèmes et des technologies de l'information et de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont mis au point un procédé à l'échelle de la plaquette permettant de lier des films minces de tantalate de lithium sur des circuits photoniques en nitrure de silicium. Ces travaux, dirigés par Tobias J. Kippenberg (EPFL) et Christian Koos (KIT), ont été publiés dans Nature Communications.
L'équipe a fabriqué des circuits en nitrure de silicium à l'aide d'un procédé photonique damascène à haut rendement, une technique permettant de fabriquer des guides d'ondes en nitrure de silicium à faibles pertes — des canaux microscopiques qui confinent et guident la lumière à travers une puce.
Ils ont ensuite lié un film mince de tantalate de lithium de 300 nanomètres sur des plaquettes de 100 millimètres. Cette approche évite la gravure au plasma agressive de la couche ferroélectrique, qui peut dégrader les performances du dispositif et compliquer la production à grande échelle. Le résultat est une plateforme hybride compatible avec la fabrication de semi-conducteurs à grand volume.
La puce guide la lumière efficacement tout en permettant de l'activer et de la désactiver à des vitesses extrêmement élevées. La lumière se propage à travers les guides d'ondes microscopiques avec très peu de pertes, ce qui signifie que le signal reste puissant sur la distance.
Pour tester ce que cela signifie en pratique, les chercheurs ont utilisé ces dispositifs pour transmettre des données réelles via des fibres optiques. Avec un format de transmission, ils ont atteint 333 gigabits par seconde. Avec un format plus avancé utilisé pour les liaisons longue distance et les centres de données, ils ont atteint 581 gigabits par seconde. Ces débits de données se situent dans la plage de performances requise pour les centres de données IA modernes.
Les modulateurs présentent également un fonctionnement stable sous polarisation en courant continu. Sur une heure de mesure, la dérive de la puissance de sortie est restée inférieure à 0,5 dB. Le tantalate de lithium offre une biréfringence plus faible et une meilleure stabilité de polarisation par rapport au niobate de lithium, ce qui contribue à préserver l’intégrité du signal dans les systèmes complexes.
En combinant le collage à l’échelle de la plaquette avec un procédé de nitrure de silicium éprouvé, la plateforme surmonte les principaux obstacles qui ont limité la photonique ferroélectrique. Elle réduit les risques de contamination associés au traitement des ferroélectriques dans les fonderies CMOS et améliore la répétabilité de la fabrication en minimisant la structuration du film ferroélectrique.
Ces capacités ouvrent la voie à des applications telles que les transducteurs électro-optiques, les oscillateurs micro-ondes sur puce et les systèmes LiDAR accordables. Au-delà des connexions à haut débit dans les centres de données, la plateforme prend en charge la photonique radiofréquence et la conversion micro-ondes-optique. Sa compatibilité avec les procédés de fabrication établis du nitrure de silicium ouvre la voie à une production à grande échelle de dispositifs électro-optiques ultra-rapides.
Les circuits intégrés photoniques ont été fabriqués au Centre de micro-nanotechnologie de l'EPFL. Les plaquettes de tantalate de lithium sur isolant (LTOI) ont été fabriquées chez Shanghai Novel Si Integration Technology et SIMIT-CAS.
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