La puce optique la plus rapide au monde

Dans son laboratoire de Sunnyvale, en Californie, David Welch, cofondateur de la startup de télécommunications Infinera, tient une bande rigide de deux centimètres de large comportant quatre rectangles à motifs de couleur or. Il est fait de phosphure d'indium, un semi-conducteur apprécié pour ses propriétés optiques. L'apparence simple de la puce dément son ingénierie complexe et donne peu d'indices qu'elle pourrait être la clé pour fournir à moindre coût la bande passante demandée par un monde accro à YouTube.

On voit ici quatorze circuits intégrés photoniques de 100 gigabits placés dans un support en plastique pour les tests de performance.

Le gadget s'appelle un circuit intégré photonique, et il représente une avancée pratique importante dans la transmission optique de données. Depuis le début des années 1990, une telle transmission repose de plus en plus sur une technique appelée multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM). Avec le WDM, les données sont codées sur jusqu'à 80 faisceaux laser, chacun ayant une longueur d'onde différente. Ces faisceaux sont ensuite combinés pour un voyage sur une fibre optique plus fine qu'un cheveu humain. À un nœud à l'autre extrémité de la fibre, les faisceaux sont divisés en leurs longueurs d'onde constitutives et les informations sont transformées en signaux électriques qui atteignent nos ordinateurs.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2007

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L'équipement optique nécessaire pour faire tout cela comprend des lasers qui envoient de la lumière, des multiplexeurs qui la séparent ou la recombinent, des modulateurs qui l'encodent avec des données et des détecteurs qui la reçoivent. Traditionnellement, ces appareils étaient logés dans leurs propres petits emballages, chacun de la taille d'un paquet de gomme, et les combinaisons d'entre eux étaient encombrantes, coûteuses et parfois peu fiables. Infinera, fondée en 2001 par des cadres et des technologues chevronnés de leaders des télécommunications optiques comme Ciena et JDS Uniphase, a entrepris de mettre des dizaines de ces composants sur une puce, de la même manière que les ingénieurs électriciens combinent les transistors dans un circuit intégré électronique. Ce que personne n'avait essayé de faire était essentiellement de mettre un système WDM entier sur une paire de puces [une pour envoyer, l'autre pour recevoir], et personne n'avait essayé de le fabriquer commercialement, dit Welch. Infinera a non seulement essayé de faire les deux, mais a réussi.

En 2004, la société a introduit le premier circuit intégré photonique à grande échelle, une puce avec 50 composants optiques nanométriques modelés sur sa surface. Auparavant, d'autres fabricants de puces optiques n'avaient réussi à intégrer que quelques dispositifs de ce type sur une seule puce. Le premier appareil Infinera était capable d'envoyer ou de recevoir 100 gigabits d'informations par seconde. Aujourd'hui, la société a fait la démonstration d'une puce de 400 gigabits et est bien avancée dans le développement de ce qu'elle décrit comme la puce optique la plus rapide au monde, une version de 1,6 térabit qu'elle prévoit de commercialiser d'ici plusieurs années. Les quatre patchs dorés sur la puce dans la main de Welch contiennent un total étonnant de 240 composants optiques à motifs.

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• Une démonstration de la façon dont Infinera crée des réseaux optiques ultrarapides

Bien entendu, malgré les avantages théoriques d'un Internet tout optique, aucun réseau n'est entièrement basé sur l'optique. L'équipement des nœuds du réseau convertit les signaux optiques en signaux électriques afin de pouvoir les nettoyer et les amplifier, ou les transmettre à un ordinateur. La technologie d'Infinera le fait également, en transférant certaines tâches à des microprocesseurs sur une carte de circuit imprimé qui les retransfèrera ensuite.

Mais le circuit intégré photonique a réduit le coût et la complexité du processus de conversion. Cet avantage, à son tour, a permis à Infinera de promouvoir une nouvelle architecture de réseau, essentiellement une avec plus de nœuds de réseau. D'autres entreprises avaient essayé de réduire les coûts en réduisant le nombre de nœuds, avec leurs dispositifs optiques traditionnellement encombrants.

Avoir plus de nœuds signifie plus de flexibilité pour ajouter des points d'accès et une maintenance et une détection des pannes plus faciles. Il permet ainsi de combiner plus facilement les avantages de l'optique et de l'électronique. Et le boîtier Infinera (puces et circuits imprimés) occupe un cinquième de l'espace de la technologie conventionnelle.

À la fin de l'année dernière, le consortium Internet2, un groupe de plus de 300 centres de recherche du gouvernement, des universités et des entreprises des États-Unis qui ont besoin d'une bande passante élevée pour tout partager, des données de physique des particules aux images médicales, a commencé à déployer un nouveau réseau optique qui utilise les systèmes d'Infinera. La technologie d'Infinera est unique, déclare Steve Cotter, directeur des services réseau chez Internet2. Au lieu d'essayer d'éviter les transitions optiques-électriques, ils les ont rendues rentables.

Fabrication photonique

La fabrication des puces Infinera n'est pas une tâche simple. Les dispositifs optiques sont des structures tridimensionnelles, bien plus difficiles à fabriquer que les transistors au silicium bidimensionnels. La fabrication des lasers, des détecteurs, des modulateurs et d'autres composants de la puce finie nécessite le dépôt et la gravure répétés de nombreuses couches minces de différents matériaux, tels que l'arséniure d'indium et de gallium et le phosphure d'indium.

Le processus d'Infinera commence avec une plaquette de phosphure d'indium. La plaquette se déplace le long d'une chaîne de montage, où elle est recouverte d'un produit chimique sirupeux appelé photoresist. La lumière ultraviolette traverse un masque avec des motifs en forme de pochoir et irradie la résine photosensible, développant efficacement des motifs complexes qui permettent à certains matériaux semi-conducteurs de rester sur la plaquette et à d'autres d'être gravés.

À un niveau élevé, c'est la même chose que la photolithographie que des entreprises comme Intel utilisent pour fabriquer des microprocesseurs au silicium pour votre PC. Mais il y a une différence importante. Dans une puce Intel, tout est en silicium. En optique, vous utilisez divers semi-conducteurs avec diverses fonctions, explique Welch. Et les plaquettes de phosphure d'indium subissent beaucoup plus de cycles de dépôt et de gravure que les plaquettes de silicium. Infinera est discret sur les détails de son processus de fabrication, qui a été conçu avec l'aide d'ingénieurs expérimentés dans des tâches telles que la fabrication de micropuces en silicium et la production de masse de diodes électroluminescentes. Welch affirme que la société détient des brevets exclusifs sur des aspects clés de la technologie permettant de placer un grand nombre de dispositifs sur des plaquettes de phosphure d'indium.

La puce de 1,6 térabit diffère de la version de 100 gigabits en grande partie par le nombre d'appareils configurés dessus. Chaque puce de 100 gigabits contient, entre autres composants, 10 lasers, 10 détecteurs, 10 modulateurs (qui codent les données en allumant et éteignant la lumière) et 10 guides d'ondes qui dirigent les photons dans un multiplexeur. Les 240 composants de la puce 1,6 térabit comprennent 40 lasers, 40 détecteurs, 40 modulateurs et 40 canaux. Et chaque modulateur encode les données quatre fois plus vite.

Une fois les gaufrettes sorties de la chaîne, elles sont coupées en chips – plusieurs centaines d'entre elles. Enfin, les puces sont testées pour détecter d'éventuels dysfonctionnements, combinées à des puces électroniques construites par Infinera sur un appareil appelé carte de ligne, et installées dans des unités de réseau optique pour l'expédition.

La demande de services vidéo et vocaux sur Internet explose, menaçant de submerger la connexion haut débit typique, qui transmet entre un et six mégabits par seconde. Nous pensons tous que les gens auront besoin de 25, 50 ou 100 mégabits, dit Welch. Pour répondre à cette demande, les sociétés Internet devront emballer plus d'équipements dans des stations de commutation déjà surpeuplées. Avec une croissance du trafic Internet de 60 à 100 % par an, vous ne pouvez pas continuer à installer des racks de la taille d'un réfrigérateur au sous-sol, explique Welch. L'intégration photonique devient la technologie qui permet à Internet de se développer.

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