Un émetteur économe en énergie basé sur une puce CMOS et une photonique sur silicium

L’utilisation généralisée d’appareils électroniques pour interagir avec les autres et accéder à Internet a accru le besoin de technologies de communication hautement performantes, capables de transmettre des données plus rapidement et plus efficacement. Augmenter le débit de transmission des données des appareils sans nuire à leur efficacité énergétique constitue cependant une tâche difficile.

Des chercheurs de l’Université de Southampton au Royaume-Uni ont récemment développé un nouvel émetteur prometteur basé sur la technologie complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) et la photonique sur silicium. Cet émetteur, introduit en Électronique naturelles’est avéré atteindre des taux de transmission de données remarquables tout en consommant un minimum d’énergie.

“L’intégration de la photonique sur silicium avec l’électronique est essentielle pour produire des systèmes pratiques pour de nombreuses applications”, a déclaré David J. Thomson, l’un des auteurs de l’article, à Tech Xplore.

“La combinaison du modulateur optique et de son amplificateur de commande électronique constitue une interface électronique-photonique clé qui dicte souvent les performances du système en termes de vitesse et de consommation d’énergie. Par conséquent, la création d’une interface optimale entre ces deux composants a été identifiée comme une direction de recherche importante pour nous. retour à l’année 2010.”

Initialement, Thomson et ses collègues ont tenté de développer leur émetteur en utilisant une approche plus conventionnelle, qui consiste à concevoir séparément des amplificateurs pilotes électriques et des modulateurs optiques, puis à les combiner. Ils ont ainsi expérimenté différentes solutions pour connecter électriquement ces deux composants, comme le wire bonding et le flip-chip bonding.

Ces deux méthodes n’ayant pas abouti aux résultats espérés, ils ont décidé de sortir de l’approche « traditionnelle » de conception d’émetteurs. Plus précisément, ils ont adopté une méthode alternative qui implique la co-conception de l’amplificateur pilote électrique et du modulateur optique à l’intérieur du dispositif.

“En adoptant notre approche de co-conception, nous avons développé une méthodologie de modélisation capable d’incorporer tous les éléments de l’émetteur intégré”, a expliqué Thomson.

“Des simulations détaillées ont démontré que pour produire une grande profondeur de modulation à partir du dispositif optique, sa réponse radiofréquence doit être modifiée à l’aide de structures électroniques inductives de telle sorte que le courant de commande électrique soit utilisé efficacement. La puce de commande électronique CMOS a donc été conçue avec la fonctionnalité requise pour compenser limitations de bande passante du modulateur.

En utilisant la stratégie de conception proposée, les chercheurs ont créé un émetteur avec une modulation relativement lente, capable d’un fort contraste de modulation, capable de transmettre des données à des vitesses élevées. Lors des tests initiaux, leur appareil a atteint un taux de modulation marche-arrêt de 112 gigabauds-112 gigabits par seconde et une modulation d’amplitude d’impulsion de 224 gigabits par seconde.

Remarquablement, l’efficacité énergétique de l’appareil était inférieure aux picojoules par bit. L’approche de co-conception employée par Thomson et ses collègues a ainsi permis un débit de données élevé tout en réduisant la consommation électrique de l’appareil.

“Une autre direction de recherche dans ce domaine est l’intégration de matériaux exotiques avec des guides d’ondes en silicium pour améliorer les performances du modulateur”, a déclaré Thomson.

“Cependant, la compatibilité CMOS est alors perdue, ce qui complique les itinéraires de fabrication à haut volume, à haut rendement et à faible coût. Nos travaux démontrent qu’il est encore possible d’améliorer les performances des dispositifs entièrement basés sur le silicium qui peuvent être fabriqués à faible coût. coûter de la même manière que le CMOS.

La nouvelle conception d’émetteur introduite par cette équipe de chercheurs pourrait bientôt inspirer le développement de composants similaires visant à améliorer les communications. Dans l’ensemble, leur étude démontre dans quelle mesure des stratégies de conception uniques peuvent contribuer à améliorer les performances des dispositifs électroniques et photoniques.

“Nous pensons que des techniques avancées de conception CMOS pourraient être utilisées pour fabriquer des dispositifs photoniques et construire des dispositifs électroniques et photoniques sous forme de modules fonctionnels intégrés, dans lesquels diverses fonctions de traitement du signal (telles que l’égalisation du signal, le formatage complexe du signal et la synthèse spectrale) pourraient être réalisées dans le cadre de processus électriques. aux processus de conversion optique ou optique-électrique”, a ajouté Thomson.

“Cela ne veut pas dire que la photonique pourrait remplacer l’électronique, mais que la convergence de la photonique et de l’électronique pourrait permettre aux appareils d’offrir des performances supérieures à celles des modules électroniques standards, non seulement en termes de vitesse ou de bande passante, mais également de complexité du système et d’efficacité énergétique. Nous pensons que cette approche d’intégration pourrait être utilisée pour atteindre une transmission de 200 Gbauds avec un modulateur photonique au silicium.

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