Des TIC plus rapides et plus économes en énergie, ou des capteurs pour détecter tout ce qui se situe entre le début de la pourriture des fruits et les fissures microscopiques dans les fibres de verre :la technologie photonique est très prometteuse pour l'avenir. Pour tenir ces promesses, un consortium européen dirigé par des chercheurs de TU/e ​​passe à l'étape suivante. Le projet INSPIRE utilise une nouvelle méthode d'impression pour permettre la fabrication en série de puces photoniques hybrides. Ceux-ci combinent plusieurs technologies pour créer de nouvelles possibilités d'applications.

Au cours des dernières décennies, une myriade de technologies ont été développées pour produire de minuscules dispositifs qui génèrent, détectent, traitent et transportent la lumière. Les applications de ces puces photoniques vont des capteurs pour surveiller la qualité des aliments aux composants qui permettent une communication efficace des données à large bande.

"Fondamentalement, les puces photoniques actuelles se déclinent principalement en trois versions", explique Martijn Heck, professeur d'intégration photonique et coordinateur du projet INSPIRE. "Ils sont soit à base de silicium, de nitrure de silicium ou de phosphure d'indium. Chez TU/e, nous sommes experts dans ce dernier cas."

Chacun des matériaux photoniques actuellement utilisés présente ses propres avantages et inconvénients. Le silicium, et notamment le nitrure de silicium, permet de transporter la lumière sur la puce avec de faibles pertes. Et comme le matériau constitue la base de l'industrie actuelle des semi-conducteurs, les puces à base de silicium peuvent être produites avec les techniques de fabrication de semi-conducteurs existantes.

Cependant, le silicium présente un inconvénient majeur :il ne peut pas générer de lumière. Donc si vous avez besoin d'un laser, il faudra vous tourner vers un autre matériel. Et c'est là qu'intervient le phosphure d'indium.

Vers un processus de production industrielle viable

Heck :"Dans le phosphure d'indium, nous sommes capables de fabriquer des composants actifs tels que des lasers et des amplificateurs, alors que la photonique à base de nitrure de silicium est beaucoup plus efficace pour guider la lumière. Pour de nombreuses applications, un dispositif optimal serait donc composé des deux matériaux."

Techniquement, il est déjà possible de placer des dispositifs au phosphure d'indium sur des guides d'ondes à base de silicium. Cependant, le procédé actuel n'est pas adapté à la fabrication en série, explique Luc Augustin, CTO de SMART photonics, une fonderie impliquée dans le projet.

"Avec ce projet, nous voulons étudier les possibilités d'agrandir et d'imprimer des colonnes entières de dispositifs à la fois. Les tranches de phosphure d'indium et de nitrure de silicium peuvent être produites à des volumes élevés, où chaque tranche contient des milliers de dispositifs photoniques. Mais quand nous voulons assemblez les deux matériaux, nous devons le faire puce par puce. Cela pourrait bien fonctionner dans un environnement de laboratoire, mais c'est loin d'être un processus de production viable pour l'industrie."

Le projet INSPIRE vise à résoudre ce problème et à combiner plusieurs matériaux de manière évolutive, robuste et rentable. Heck :"Dans ce projet, nous réunissons trois technologies distinctes et matures :nous utilisons l'impression par micro-transfert, fournie par X-Celeprint, pour imprimer plusieurs dispositifs de phosphure d'indium fabriqués par SMART photonics sur des tranches de nitrure de silicium produites à l'imec."

"Il a déjà été démontré que la technique d'impression fonctionne sur un seul niveau d'appareil en laboratoire. Avec ce projet, nous voulons étudier les possibilités d'augmenter et d'imprimer des colonnes entières d'appareils à la fois", ajoute Yuqing Jiao, scientifique principal d'INSPIRE.

Comment faire un gâteau en couches

La recette est la suivante :une tranche de nitrure de silicium contenant les composants passifs de la puce ultime est produite avec une couche supérieure extrêmement plate et propre. Pour le phosphure d'indium, on fait d'abord croître une couche dite de libération de matériau. Celui-ci est surmonté de la couche de phosphure d'indium contenant les composants actifs tels que les lasers, les amplificateurs optiques ou les photodétecteurs.

La couche de libération en dessous est ensuite gravée, laissant derrière elle une série de très petites ancres qui maintiennent les dispositifs séparés en place. Ensuite, le mince coupon de phosphure d'indium est ramassé, les ancres sont cassées et le phosphure d'indium dans son ensemble est essentiellement estampé au-dessus du nitrure de silicium. Tant que l'interface entre les deux couches est suffisamment lisse, une couche ultrafine d'adhésif suffit pour fixer définitivement le coupon à la plaquette.

"Étant donné que la couche de libération est constituée d'un matériau que nous utilisons déjà dans nos processus de fabrication, cette couche n'aura pas d'impact sur les performances et la fabrication de l'appareil", déclare Augustin de SMART Photonics. "Le défi consistera à obtenir la bonne partie de gravure, pour s'assurer que nous transférons effectivement tous les dispositifs individuels de la plaquette et conservons leur pleine fonctionnalité."

Jiao ajoute :« Un autre défi consiste à trouver une manière intelligente de positionner avec précision les « tampons ». Nous avons besoin que les dispositifs au phosphure d'indium soient placés au-dessus de leurs homologues au nitrure de silicium avec une précision inférieure à un micromètre par dispositif. Et finalement, nous devons atteindre une telle précision pour des dizaines de milliers de dispositifs à la fois."

Trois cas d'utilisation

Pour démontrer la puissance de la technologie hybride résultante, trois cas d'utilisation dédiés seront explorés dans le cadre du projet. Le premier est une lecture de détection de fibre distribuée, proposée par le partenaire du projet Thales. Ils ont besoin d'un système capable de détecter les défaillances dans les grandes structures telles que les bâtiments et les ponts à l'aide de fibres optiques.

Cette technologie offre des mesures continues, en temps réel et précises des changements structurels sur l'ensemble de la structure, même dans les zones non accessibles aux opérateurs humains. Jiao explique :"Une impulsion laser est envoyée dans la fibre. Chaque fois qu'il y a une défaillance dans la structure, cela se traduit par une défaillance dans la fibre, par exemple une torsion ou une fracture."

"En conséquence, des réflexions se produiront. Selon l'emplacement et la nature de la panne, l'intensité et la phase de la lumière réfléchie changeront. En analysant ces réflexions, on peut déterminer ce qui s'est passé et où."

Cette application envisagée est très exigeante en termes de spécifications techniques, ajoute Heck. « Pour faire cela correctement avec la photonique intégrée, nous aurons besoin d'un laser à très faible bruit. De plus, comme les signaux que nous voulons mesurer n'auront pas une intensité très élevée, nous devons également obtenir une détection à faible bruit et à haute résolution. exactement cette combinaison d'exigences où la technologie hybride peut faire la différence."

Un deuxième cas d'utilisation concerne la photonique micro-ondes, qui est par exemple utilisée dans les communications sans fil. Là aussi, Thales est impliqué en tant qu'utilisateur final. Jiao :"Pour la communication sans fil, plus la fréquence est élevée, plus la couverture est faible. Ainsi, lorsque vous passez de la 4G à la 5G ou à la 6G, vous avez besoin de plus de stations de base. Pour transmettre le signal d'une station de base à une autre, vous pouvez utiliser des fibres optiques."

"Dans le projet INSPIRE, nous construisons un générateur d'impulsions qui encode les informations du signal sans fil dans un signal photonique micro-onde à alimenter dans les fibres. Cette technologie est par exemple très utile pour les applications radar militaires. Puisque vous n'avez pas pour transporter le signal dans les airs, la perte de puissance est réduite et la connexion est plus difficile à pirater par les ennemis."

Le troisième cas d'utilisation, un commutateur optique pour réduire la consommation d'énergie des centres de données, exploré avec l'Université de Cambridge, est plus traditionnel du point de vue de la photonique, commente Augustin. "Les centres de données actuels sont tous photoniques. Les centres de données et les télécommunications représentent actuellement environ 80 % de notre marché."

Le défi consiste à proposer de nouvelles conceptions de commutateurs tout optique capables de commuter simultanément d'énormes quantités de données, explique Heck. "Nous devons commuter de nombreuses entrées avec de nombreuses sorties et avec de faibles pertes. En pratique, cela signifie que nous devons faire face à une myriade de guides d'ondes croisés et de commutateurs basés sur des éléments actifs où nous devons empêcher la diaphonie thermique."

"Puisque l'objectif est un appareil entièrement intégré avec une seule interface pour les entrées de fibre et une pour les sorties, nous devons trouver des moyens d'intégrer des centaines d'amplificateurs optiques, de modulateurs de phase et de séparateurs de guides d'ondes sur une seule puce, tout en gérant la chaleur qu'ils générera. Si nous pouvions démontrer que cette technique d'impression permet la production à grande échelle de puces hybrides, cela ouvrirait de nombreuses nouvelles opportunités pour explorer de nouveaux marchés », ajoute Jiao.

Nouvelles opportunités

En plus de ces trois cas d'utilisation, Jiao et Heck envisagent également un quatrième :les processeurs quantiques optiques. Heck :"Bien qu'il s'agisse davantage d'un marché de niche, des applications telles que les sources de photons uniques ou les détecteurs pour la technologie quantique pourraient certainement constituer un cas d'utilisation intéressant. Ce serait formidable si nous pouvions établir le phosphure d'indium comme technologie de plate-forme pour la communication quantique ou même quantique. Cela correspondrait également parfaitement à la mission de notre Institut Hendrik Casimir d'Eindhoven récemment créé, qui consiste à réunir l'électronique, la photonique et la technologie quantique."

Aussi, Augustin pense déjà au-delà du projet. "INSPIRE est la prochaine étape de l'intégration photonique. Partout dans le monde, les gens recherchent des moyens de combiner différents matériaux en une seule puce pour ajouter de nouvelles fonctionnalités. La technique d'impression explorée dans ce projet est une nouvelle direction unique et très prometteuse à faire ceci."

"En tant que SMART Photonics, nous développons des technologies génériques. Si nous pouvions démontrer que cette technique d'impression permet la production à grande échelle de puces hybrides, cela ouvrirait de nombreuses nouvelles opportunités pour explorer de nouveaux marchés. Par exemple, si nous pouvions en imprimer une photonic material on top of the other, we can probably also print photonics on top of electronics, or on top of microfluidics for biosensors. Though the INSPIRE project is of a rather exploratory nature and the targets are very ambitious, our consortium comprises all of the necessary players to make this a success." + Explorer plus loin

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