Image SEM partielle de la matrice de commutation :l'ensemble de la structure modelée dans la couche supérieure de silicium par gravure sèche semble « flotter » lorsque l'oxyde est retiré. Chaque unité matricielle contient un lecteur de peigne électrostatique qui peut déplacer sélectivement des parties des guides d'ondes pour établir un chemin lumineux souhaité de l'un des 32 ports d'entrée à l'un des 32 ports de sortie. Crédit :Han et al.
L'un des défis techniques auxquels la révolution actuelle des données est confrontée est de trouver un moyen efficace d'acheminer les données. Cette tâche est généralement effectuée par des interrupteurs électroniques, tandis que les données elles-mêmes sont transférées à l'aide de lumière confinée dans des guides d'ondes optiques. Pour cette raison, la conversion d'un signal optique en un signal électronique et une rétroconversion sont nécessaires, ce qui coûte de l'énergie et limite la quantité d'informations transférables. Ces inconvénients sont évitables avec une opération de commutation optique complète. L'une des approches les plus prometteuses est basée sur les systèmes microélectromécaniques (MEMS), grâce à des avantages décisifs tels qu'une faible perte optique et une faible consommation d'énergie, intégration monolithique, et une grande évolutivité. En effet, le plus grand commutateur photonique jamais présenté utilise cette approche.
Jusqu'à maintenant, ces commutateurs photoniques MEMS ont été fabriqués à l'aide de processus non standard et complexes dans des environnements de laboratoire, ce qui a rendu leur commercialisation difficile. Mais des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont initié une collaboration qui a réuni des ingénieurs de différentes universités du monde entier pour démontrer que les difficultés pouvaient être surmontées. Ils ont créé un commutateur MEMS photonique à l'aide d'un procédé de fabrication de métal-oxyde-semiconducteur complémentaire (CMOS) disponible dans le commerce sans modification. L'utilisation de cette plateforme de microfabrication bien connue représente un grand pas vers l'industrialisation car elle est compatible avec la plupart des technologies actuelles, rentable, et adapté à la production à haut volume.
Fabrication d'interrupteurs
Dans leurs recherches, récemment publié dans le nouveau SPIE Journal des microsystèmes optiques , le commutateur photonique a été fabriqué sur des plaquettes de silicium sur isolant (SOI) de 200 mm à l'aide de procédés de photolithographie et de gravure à sec réguliers dans une fonderie commerciale. L'ensemble du circuit intégré photonique est inclus dans la couche supérieure en silicium, ce qui a l'avantage de limiter le nombre d'étapes de fabrication :Il existe deux procédés de gravure à sec différents, un décollage pour créer des interconnexions métalliques, et la libération finale du MEMS par gravure d'oxyde. La conception du commutateur comprend 32 ports d'entrée et 32 ports de sortie, représentant une matrice 32 x 32 (la taille totale est de 5,9 mm x 5,9 mm) du même élément répliqué. Dans chacun des éléments individuels, le transfert de lumière d'un canal à l'autre est réalisé en diminuant la distance entre deux guides d'ondes pour coupler leurs modes, une opération réalisée par une commande de peigne électrostatique également incluse dans la couche supérieure de silicium.
"Pour la première fois, des commutateurs photoniques MEMS intégrés à grande échelle ont été fabriqués dans une fonderie commerciale sur des plaquettes SOI de 200 mm. À mon avis, il s'agit d'une démonstration convaincante que cette technologie est adaptée à la commercialisation et à la production de masse. Ils pourraient être intégrés dans les systèmes de communication de données dans un avenir proche, " a déclaré Jérémy Béguelin, l'un des chercheurs de Berkeley.
L'architecture du commutateur MEMS photonique au silicium avec des coupleurs directionnels à écartement réglable. La lumière est couplée à la puce à l'aide des coupleurs de réseau. Il y a deux paires de coupleurs directionnels et un actionneur à peigne par cellule unitaire. Les trajets lumineux sur la puce sont contrôlés en modifiant l'espacement des intervalles de chaque coupleur directionnel. Crédit :Han et al.
Voie prometteuse
Les chercheurs ont évalué les performances des commutateurs photoniques en mesurant plusieurs paramètres importants :la perte de puissance lumineuse à travers l'ensemble du commutateur de 7,7 dB, la bande passante optique d'environ 30 nm à la longueur d'onde de 1550 nm, et la vitesse de l'opération de commutation de 50 µs. Ces valeurs sont déjà excellentes en comparaison avec d'autres approches de commutation photonique, et les moyens de les améliorer ont déjà été identifiés.
En utilisant un procédé de fabrication compatible CMOS et des plaquettes SOI, l'équipe de recherche a créé un commutateur photonique robuste et efficace basé sur la technologie MEMS. De tels travaux ouvrent une voie prometteuse vers la commercialisation et la production en série de commutateurs photoniques de grande taille et intégrés, futur élément clé des réseaux de communication de données.
