Kyocera intègre un isolateur optique directement sur une puce photonique en silicium

Avec l’université de Tohoku, Kyocera a mis au point un procédé de recuit au laser inédit qui permet d’intégrer un isolateur optique directement sur une puce photonique en silicium, et ainsi de réduire d’environ 95% la lumière rétrodiffusée dans les circuits optiques co-packagés (CPO) dédiés aux centres de données d’IA.

Kyocera et l’Institut de recherche en communications électriques (RIEC) de l’université de Tohoku affirment avoir réalisé la fabrication d’isolateurs optiques directement sur des puces photoniques sur silicium, grâce à une méthode de recuit localisé par laser. Il s’agirait d’une première mondiale, selon les deux partenaires.

L’essor de l’IA générative met les réseaux de données sous une pression inédite et la photonique sur silicium apparaît comme une réponse pour construire des centres de données plus rapides et moins gourmands en énergie. Cette évolution stimule le développement de circuits optiques co-packagés (CPO), qui réunissent circuits optiques et électroniques dans un même boîtier pour raccourcir les trajets de signal et réduire pertes et consommation. Mais dans ces circuits, la lumière renvoyée vers le laser dégrade leurs performances, d’où le besoin d’isolateurs fabriqués directement sur la puce.

Or, jusqu’ici, le principal obstacle à l’intégration d’isolateurs sur la puce était lié au matériau. En effet, les isolateurs reposent généralement sur un cristal appelé grenat magnéto-optique, qui doit être chauffé à environ 600°C ou plus pour fonctionner en tant qu’isolateur optique. Mais chauffer toute la puce à cette température risque d’endommager électrodes, liaisons et autres éléments.

© Kyocera / université de Tohoku

Les deux partenaires ont résolu ce problème en traitant thermiquement le seul grenat, sans surchauffer le reste de la puce. Pour ce faire, ils ont mis au point une technologie d’intégration monolithique utilisant un faisceau laser dans le proche infrarouge dirigé uniquement sur une zone d’environ 700 × 700 microns où un film de grenat a été déposé. Ce chauffage localisé le cristallise et lui confère les propriétés nécessaires à la fonction d’isolateur optique, cela quasiment sans effet thermique sur les circuits et les électrodes à proximité, contrairement au passage de la puce entière au four.

L’équipe a ensuite fabriqué un dispositif dont la structure exploite l’interférence lumineuse et en a démontré le fonctionnement comme isolateur. En comparant la lumière du signal à celle réfléchie vers l’arrière, elle a mesuré un rapport d’isolation de 13,6 dB dans la gamme de longueurs d’onde des télécommunications optiques, soit environ 95% de lumière rétrodiffusée en moins. La microscopie électronique a confirmé la bonne cristallisation du grenat sur le guide d’onde en silicium.

Kyocera et l’université de Tohoku, qui avaient déjà collaboré sur des isolateurs optiques intégrables aux circuits optiques, veulent désormais réduire encore les pertes, améliorer le rendement et optimiser la productivité, en vue d’une production en série. La date d’une éventuelle commercialisation n’a cependant pas été avancée.

© Kyocera / université de Tohoku

Principales caractéristiques :

• Première intégration d’un isolateur optique directement sur une puce photonique en silicium
• Procédé de recuit localisé au laser (intégration monolithique)
• Laser proche infrarouge ciblant une zone d’environ 700 × 700 µm
• Cristallisation sélective du grenat magnéto-optique, dont le traitement exige une température de 600°C
• Impact thermique pratiquement nul sur les circuits optiques et les électrodes à proximité
• Rapport d’isolation de 13,6 dB dans la gamme de longueurs d’onde des télécoms optiques
• Réduction d’environ 95% de la lumière rétrodiffusée
• Fonctionnement fondé sur l’interférence lumineuse
• Cristallisation confirmée par microscopie électronique
• Adapté aux circuits optiques co-packagés (CPO) des centres de données d’IA