Un transistor optique à 10 GHz Gérard Kantorowicz

27juillet2012
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Untransistoroptiqueà10GHz
GérardKantorowicz
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
transistors(fonctionnalité«fan‐out»)etàêtre
fabriquésurunsubstratmicroélectroniqueau
siliciumenutilisantlestechnologies
conventionnellesComplementaryMetal‐Oxide‐
Semiconductor(CMOS).
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:
‐ 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).

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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).
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
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).
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.

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Figure4:Schématiquedel’assemblagedufiltreADFavecun«notchfilter»enaval.