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Qu'est-ce que Convergence photonique-électronique ?

Technologies et démarche consistant à intégrer circuits optiques et circuits électroniques très près les uns des autres ou en un seul ensemble, pour remplacer le câblage électrique par la lumière. L'objectif est d'étendre les liaisons optiques des liaisons entre équipements à celles entre cartes et entre puces afin de réduire la consommation. Le terme est surtout employé au Japon.

Nom japonais: 光電融合

« Convergence photonique-électronique » apparaît dans 2 questions d'entraînement réparties sur 2 thèmes, dont Semi-conducteurs composés, Packaging avancé (3D et chiplets).

Domaine: Photonique sur silicium

Pourquoi rapprocher l'optique de l'électronique

Le câblage électrique perd davantage à mesure que les signaux accélèrent et que les distances s'allongent, et les circuits qui compensent ces pertes consomment de l'énergie. Les pertes dans une fibre optique ou un guide d'onde sont presque indépendantes de la distance à l'échelle d'un centre de données, et le multiplexage en longueur d'onde place de nombreux signaux sur une même fibre. En revanche, envoyer des données par la lumière exige une conversion électrique-optique, qui coûte aussi de l'énergie. La convergence photonique-électronique place les composants optiques juste à côté des circuits électroniques pour supprimer les longues liaisons électriques et réduire la puissance de conversion, raccourcissant ainsi la distance à partir de laquelle l'optique devient le meilleur choix.

L'optique sur des distances de plus en plus courtes

Les liaisons optiques se sont étendues des communications longue distance aux liaisons entre équipements d'un centre de données et entre cartes d'une baie. Les étapes suivantes sont l'optique co-packagée (CPO), qui place les émetteurs-récepteurs optiques dans le même boîtier qu'un circuit de commutation, et les E/S optiques au plus près de la puce, qui relient directement les puces par la lumière. Dans le cadre de son initiative IOWN, NTT a présenté un plan visant à utiliser des dispositifs de convergence photonique-électronique pour étendre progressivement les liaisons optiques des liaisons entre centres de données à celles entre cartes, entre puces et finalement à l'intérieur des puces (au milieu des années 2020).

Technologies sous-jacentes

Au centre se trouve la photonique sur silicium, qui intègre un guide d'onde optique, des modulateurs et des photodétecteurs avec la même technologie de fabrication que le CMOS. Comme le silicium émet mal la lumière, on y colle des lasers en semi-conducteurs composés comme l'InP, ou l'on fournit la lumière depuis l'extérieur. L'empilement de puces optiques avec des puces électroniques comme les pilotes et les TIA pour des connexions courtes, et une technologie d'assemblage qui raccorde de nombreuses fibres avec une grande précision, sont aussi indispensables.

Défis

Les composants optiques sont sensibles à la température et doivent rester stables à côté de processeurs chauds. La fiabilité des lasers, le test avant assemblage de pièces qui ne peuvent pas être remplacées, ainsi que le coût et le rendement du raccordement des fibres sont d'autres questions. Tant que la conversion électrique-optique n'est pas assez efficace, le câblage électrique reste avantageux sur de très courtes distances. Jusqu'où l'optique pourra remplacer le câblage dépend des progrès de l'efficacité de conversion et du coût d'encapsulation.

S'entraîner : questions sur Convergence photonique-électronique

En photonique silicium, pourquoi associe-t-on des semi-conducteurs composés comme source laser ?

  1. AParce que le silicium ne laisse passer aucune lumière
  2. BParce que les semi-conducteurs composés sont toujours moins chers
  3. CParce que le silicium, à gap indirect, ne peut pas émettre efficacement
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Réponse : C. Parce que le silicium, à gap indirect, ne peut pas émettre efficacement

Le silicium permet de fabriquer en grand volume et avec précision, dans des usines CMOS, des guides d'onde, des modulateurs et des photodétecteurs en germanium, mais son gap indirect l'empêche d'être une source lumineuse efficace. On utilise donc comme source des lasers, par exemple en InP, collés sur la plaquette de silicium (intégration hétérogène) ou associés sous forme de puce séparée. Cette technologie, qui soutient les interconnexions optiques des centres de données pour l'IA, progresse rapidement dans le cadre de la co-intégration optoélectronique.

Comment appelle-t-on la technique qui monte les composants d'émission-réception optique à proximité d'un circuit de commutation, dans le même boîtier, pour raccourcir les liaisons électriques et réduire la consommation ?

  1. AOptique co-intégrée (CPO)
  2. BBGA
  3. CQFP
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Réponse : A. Optique co-intégrée (CPO)

Dans les centres de données, la hausse du trafic rend problématique la consommation nécessaire pour transmettre les signaux électriques du circuit de commutation jusqu'aux modules optiques en face avant. La CPO place les composants d'émission-réception optique dans le même boîtier que le circuit de commutation, ramenant la distance de transmission électrique à quelques mm et réduisant la consommation et la dégradation du signal. C'est l'une des techniques de convergence photonique-électronique. BGA et QFP sont des formes de boîtier courantes.

Questions fréquentes

Quelle différence entre convergence photonique-électronique et photonique sur silicium ?

La photonique sur silicium est la technologie qui fabrique des circuits optiques avec les procédés de fabrication du silicium. La convergence photonique-électronique désigne la démarche plus large qui utilise de telles technologies pour associer étroitement circuits optiques et électroniques et remplacer le câblage électrique par la lumière.

Quel est son lien avec le CPO ?

Le CPO, qui place les émetteurs-récepteurs optiques dans le même boîtier qu'un circuit de commutation et raccourcit le trajet électrique à quelques millimètres, est l'une des formes représentatives de la convergence photonique-électronique. Les étapes suivantes visent à rendre optiques les liaisons entre puces et à l'intérieur des puces.

Comment dit-on ce terme en anglais ?

Le terme est surtout employé au Japon ; NTT l'écrit en anglais Photonics-Electronics Convergence (PEC). Dans les contextes anglophones, des travaux similaires sont souvent désignés par des noms de technologies précises comme co-packaged optics ou E/S optiques (optical I/O).

« Convergence photonique-électronique » dans les explications

Questions mentionnant « Convergence photonique-électronique » (2)

  1. En photonique silicium, pourquoi associe-t-on des semi-conducteurs composés comme source laser ?
  2. Comment appelle-t-on la technique qui monte les composants d'émission-réception optique à proximité d'un circuit de commutation, dans le même boîtier, pour raccourcir les liaisons électriques et réduire la consommation ?

Termes associés

CMOS InP (phosphure d'indium) CPO (optique co-packagée) BGA QFP (boîtier plat à broches sur quatre côtés) Bande C Bande O Coupleur à réseau Coupleur par la tranche (edge coupler) Dispersion chromatique

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