GaN-sur-silicium : la clé de l’intégration photonique de demain

Dans l’univers des technologies optiques, l’intégration de multiples dispositifs sur un même substrat représente un potentiel considérable pour de nombreuses applications. Cette avancée connue sous le nom d’intégration photonique, offre des avantages exceptionnels comme la réduction de la taille, du coût et de la consommation d’énergie.

Deux technologies se démarquent parmi les principales approches d’intégration photonique : l’intégration photonique basée sur le phosphure d’indium (InP) et la photonique intégrée sur silicium monolithique, chacune ayant ses forces et ses faiblesses spécifiques.

L’intégration photonique basée sur l’InP est largement reconnue comme une plateforme active-passive fiable et complète, bien qu’elle présente des limites en termes de rendement et de taille de substrat. En parallèle, la photonique intégrée sur silicium monolithique se distingue par ses performances passives exceptionnelles, ses modulateurs insensibles à la température et sa compatibilité avec la fabrication de semi-conducteurs métal-oxyde-complémentaire (CMOS). Cependant, l’absence d’une source de lumière a freiné le développement de cette technologie.

L’émergence d’une approche d’intégration photonique active-passive novatrice

Des chercheurs ont proposé une stratégie innovante d’intégration photonique active-passive, illustrée par un circuit intégré photonique. Comme rapporté dans Advanced Photonics Nexus, cette puce combine une source de lumière, un modulateur, une photodiode (dispositif convertissant la lumière en courant électrique), un guide d’onde (canal à travers lequel la lumière se propage), et un séparateur de branches en Y, le tout basé sur une plateforme GaN-sur-silicium.

La particularité de cette approche est que tous les dispositifs actifs, y compris la source de lumière, le modulateur et la photodiode, sont construits sur la même structure MQW InGaN/AlGaN ultraviolette. Cette caractéristique unique réduit significativement la complexité et le coût de fabrication.

De la conception à la réalisation : une intégration réussie

Pour concrétiser ce concept, les chercheurs ont conçu la puce de circuit intégré photonique sur la plateforme GaN-sur-silicium, en utilisant des couches épitaxiales de III-nitrure cultivées par dépôt chimique en phase vapeur à partir de métal organique. L’approche monolithique, de haut en bas, construit des émetteurs, des modulateurs, des guides d’onde, des séparateurs de faisceau, des récepteurs et des moniteurs III-nitrure sur une galette conventionnelle GaN-sur-silicium, sans nécessiter de régénération ou de dopage après croissance.

Validation de l’efficacité de cette intégration photonique

Les chercheurs ont caractérisé en détail la puce résultante pour valider l’efficacité de ce schéma d’intégration photonique innovant. Les résultats clés ont indiqué qu’une tension de polarisation inverse plus élevée appliquée au modulateur entraînait une absorption de lumière accrue, due à des modifications du coefficient d’absorption. Cet effet de modulation distinctif se reflétait dans les variations du courant photoélectrique du récepteur.

Le système testé a démontré un diaphonie négligeable, et l’isolement entre la source de lumière et le modulateur sur le même guide d’onde, obtenu par séparation de la couche de contact p, s’est avéré suffisant pour une performance système optimale.

Transmission et traitement de données par la lumière

Le système transmet et traite avec succès les données à l’aide de la lumière. En utilisant des modulations directes et indirectes sur un seul chemin de lumière, les chercheurs ont simultanément transmis deux types de données ou crypté la transmission de données d’un signal de modulation avec un autre.

Yongjin Wang du Peter Grünberg Research Center à l’Université de Nanjing fait remarquer : « A l’avenir, avec des avancements supplémentaires dans la précision de gravure des III-nitrures, le schéma d’intégration proposé détient un potentiel énorme en tant que solution compétitive pour l’intégration photonique de prochaine génération, notamment dans le domaine de la détection, où la densité d’intégration élevée n’est pas une exigence critique. »

Tout en soulignant l’efficacité de cette approche novatrice d’intégration photonique, il faut tenir compte des limites inhérentes à chaque technologie. L’avenir de l’intégration photonique réside probablement dans une combinaison des forces de chaque approche, afin de surmonter les obstacles actuels et de réaliser le plein potentiel de cette révolution technologique.

Légende illustration : Intégration photonique avec fonctions actives-passives basée sur une plateforme GaN sur silicium. Crédit : Jiabin Yan (Nanjing Univ. of Posts and Telecommunications)

Lire l’article en libre accès de J. Yan et al, « Complete active-passive photonic integration based on GaN-on-silicon platform, » Adv. Photon. Nexus 2(4) 046003 (2023), doi 10.1117/1.APN.2.4.046003