Un transistor optique à 10 GHz    Gérard Kantorowicz 

27 juillet 2012
Un transistor optique à 10 GHz Gérard Kantorowicz transistors (fonctionnalité « fan‐out ») et à être fabriqué sur un substrat microélectronique au silicium en utilisant les technologies conventionnelles Complementary Metal‐Oxide‐
Semiconductor (CMOS). Une publication d’avril 2012 de Leo Varghese et d’autres chercheurs de la Purdue University, Indiana (USA), a présenté les résultats de travaux consistant à contrôler un flux lumineux par un autre flux lumineux. Le montage mis au point est qualifié de « transistor optique » par les auteurs, c’est à dire un dispositif permettant de contrôler par des photons d'autres photons porteurs d’informations et constituant par conséquent une alternative à un traitement électronique conventionnel en ouvrant la voie à une intégration avec des liaisons optiques à haut débit. Parmi les résultats obtenus, les auteurs soulignent l’aptitude de leur transistor optique à être monté en cascade pour commander d’autres La structure de base est celle d’un micro‐anneau en optique intégrée fonctionnant en filtre résonant à couplage asymétrique. Ce résonateur, dit « Add‐Drop Filter » (ADF), est couplé de façon lâche (à une distance G1 de 450 nm) à un guide d’onde servant de source (Supply) et de façon forte (à une distance G2 de 400 nm) à un guide d’onde servant de grille (Gate) (Figure 1). Figure 1 : Schématique du transistor optique. ‐
Lorsque la grille n’est pas alimentée, cas (a), le flux lumineux en provenance de la source génère une puissance à l’intérieur du micro‐anneau qui est relativement faible (du fait du couplage lâche) et qui maintient le système dans les limites de l’optique linéaire. La figure 2 (courbe bleue) montre la variation de la puissance de sortie en fonction de la longueur d’onde, pour une puissance injectée donnée (‐0.55 dBm). On y voit un pic d’absorption à une fréquence de résonance d’environ 1 569 nm. ‐
Lorsque la grille est alimentée, cas (b), deux situations caractéristiques peuvent se présenter : 1
SI la puissance injectée dans la grille reste faible et inférieur à un certain seuil PL, le système reste dans le domaine linéaire du cas (a) ;
Si la puissance vient à excéder un seuil supérieur PH, du fait du couplage étroit G2, la puissance développée dans le résonateur entraîne des effets d’optique non‐linéaire qui se traduisent par un échauffement suffisant pour décaler vers le rouge la fréquence de résonance (courbe rouge de la figure 2).
sur un phénomène de résonance, il a été démontré que le montage réalisé offrait une bande passante de 10 GHz avec un taux d’erreur analogue à celui de dispositifs électroniques conventionnels. Par ailleurs, les auteurs ont cherché à réduire la puissance de sortie dans l’état « Off » afin de permettre la mise en série d’un maximum de transistors en évitant la confusion entre un état « On » et l’addition possible de plusieurs états « Off » (en optique 1+1 peut être égal à 0 !) . Pour accroitre le ratio On/Off, les auteurs ont complété le circuit par un filtre coupe‐bande en sortie (notch filter NF) formé d’un micro‐anneau de diamètre 5 μm, avec une micro‐résistance pour l'accorder thermiquement avec le filtre résonant ADF (Figure 4). Figure 2 : Balayage en longueur d'onde de la source et puissance en sortie selon l’état de la grille (Off ou On). En injectant à la source une lumière de longueur d’onde judicieusement choisie, typiquement λ0 = 1569,105 nm, et à la grille une lumière de longueur d’onde différente afin d’éviter les interférences, typiquement λ1 = 1552,385 nm, on voit qu’il est possible de réaliser un transistor optique, fonctionnant en inverseur, dans lequel la puissance de sortie passe à l’état « Low » lorsque la puissance à la grille est dans l’état « High » (Figure 3). Lorsque la grille n'est pas alimentée, cas (a), le filtre ADF est désaccordé, la puissance se retrouve en aval faiblement atténuée, échauffe et désaccorde, par déplacement vers le rouge, le filtre de sortie qui atténue en conséquence peu le signal de Sortie.
Si la Grille est alimentée, cas (b), le filtre ADF atténue la puissance envoyée par la source, réduisant la puissance dans le filtre NF qui revient à l'accord sur la longueur d'onde de la source. La puissance en sortie est alors atténuée à la longueur d'onde de résonance et passe de ‐5 dBm à ‐25 dBm. On dispose ainsi d'un bloc de base pour réaliser par exemple une porte logique, ou un onduleur tout optique, ou même régénérer un signal dans un amplificateur tampon. Cependant on peut se demander si ce qu'on devrait appeler plutôt un transistor thermo‐optique, pourra être employé dans des applications courantes sans poser de problèmes comportement, essentiellement en température, car il doit nécessairement être associé à plusieurs dispositifs de contrôle de température. Par ailleurs, il n’est pas établi qu’il permette, en l’état, de réduire la consommation d’énergie qui constitue l’un des handicaps actuels des grands systèmes électroniques. Figure 3 : Courbe de transfert le l’inverseur optique pour une puissance source de ‐0.55 dBm. Avec une puissance source de ‐0.55 dBm et une puissance de contrôle à la grille de ‐6.4 dBm, un ratio (puissance grille)/(puissance source) de ‐
5.85 dBm a ainsi été obtenu, considéré comme suffisant pour permettre la mise en cascade de deux autres transistors. La réalisation a été faite en technologie CMOS sur un wafer silicium‐sur‐isolant de SOITEC avec une couche silicium de 250 nm et 3 μm d’oxyde enfoui. Bien que le transistor optique soit basé 2
Figure 4 : Schématique de l’assemblage du filtre ADF avec un « notch filter » en aval. 3