Un transistor optique à 10 GHz

15/11/2013
Auteurs :
Publication eREE
OAI : oai:www.see.asso.fr:14389:5296
DOI :

Résumé

Un transistor optique à 10 GHz

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        <publicationYear>2013</publicationYear>
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	    <date dateType="Created">Fri 15 Nov 2013</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Tue 15 May 2018</date>
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27 juillet 2012 1 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). 2 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.  3 Figure 4 : Schématique de l’assemblage du filtre ADF avec un « notch filter » en aval.