Que sont les émetteurs-récepteurs en photonique sur silicium (SiPh) et quelles sont leurs différences par rapport aux modules traditionnels ?

À mesure que les débits des centres de données évoluent vers 800G et même 1.6T, une technologie connue sous le nom de Silicon Photonics (SiPh) accélère la transformation de la technologie des modules optiques et remodèle le paysage industriel. Qu’est-ce donc exactement qu’un transceiver Silicon Photonics ? Et en quoi diffère-t-il fondamentalement des modules optiques traditionnels ?

L’évolution de la technologie photonique sur silicium

Depuis la proposition de l’optique intégrée par Bell Laboratories aux États-Unis en 1969 jusqu’au début du XXIe siècle, lorsque des entreprises telles qu’Intel ont commencé à entrer dans le domaine de la photonique sur silicium afin de contribuer aux percées technologiques, la SiPh est progressivement passée à une phase d’industrialisation et d’accélération technologique. Après 2008, des entreprises dont Luxtera et Intel ont commencé à lancer des produits commerciaux intégrés de photonique sur silicium, marquant l’entrée officielle des puces SiPh sur le marché. Cela a jeté les bases des futurs modules optiques haut débit, tels que 400G et modules 800G.

Le développement de la technologie Silicon Photonics peut être globalement divisé en quatre étapes. La première étape consiste à fabriquer les composants sous-jacents pour la communication optique à l’aide de matériaux à base de silicium, remplaçant progressivement les composants optiques discrets. La deuxième étape voit la technologie d’intégration évoluer de l’intégration hybride vers l’intégration monolithique, où divers composants sont combinés pour réaliser différentes fonctions sur une seule puce – c’est l’état actuel de la technologie SiPh. La troisième étape, à l’avenir, devrait permettre une intégration optoélectronique complète grâce à la fusion des technologies optoélectroniques. Et la quatrième étape consistera à décomposer les dispositifs en plusieurs unités de silicium disposées sous forme de matrice, permettant une fonctionnalité programmable grâce à une programmation personnalisée, ce qui donnera des puces programmables.

Présentation des modules optiques en photonique sur silicium

Qu’est-ce qu’un émetteur-récepteur optique SiPh ?

Émetteurs-récepteurs optiques SiPh sont des modules optiques basés sur la technologie Silicon Photonics. Avant de comprendre les modules photoniques sur silicium, il est nécessaire de clarifier d’abord ce qu’est la technologie Silicon Photonics. 

SiPh est une technologie de nouvelle génération destinée au développement et à l’intégration de dispositifs optiques utilisant du silicium et des matériaux de substrat à base de silicium, tels que SiGe/Si et SOI, en tirant parti des procédés de fabrication CMOS existants.

Le concept fondamental des modules photoniques au silicium est  « remplacer l’électricité par la lumière », ce qui signifie que des faisceaux laser sont utilisés à la place des signaux électriques pour la transmission des données. La photonique sur silicium intègre les composants optiques et les éléments électroniques d’un émetteur-récepteur optique SiPh sur une seule micropuce indépendante, permettant une intégration poussée du traitement des signaux optiques et du traitement des signaux électriques, et réalisant finalement de véritables interconnexions optiques.

Avantages de la conception en photonique sur silicium

Tout d’abord, pour les centres de données nécessitant une utilisation intensive de modules optiques, l’avantage le plus important des modules SiPh reste leur faible coût.

Avec le développement du secteur Internet, la demande en modules optiques s’oriente de plus en plus vers la miniaturisation et les hautes performances. Dans le cadre de la tendance à la miniaturisation, les modules optiques conventionnels sont confrontés à une dégradation accrue des performances lorsqu’ils tentent d’augmenter les débits de transmission. Les émetteurs-récepteurs Silicon Photonics surmontent non seulement les goulets d’étranglement en matière de performances, comme la consommation d’énergie causée par les multiples canaux dans les modules conventionnels, mais réduisent également les coûts des lasers.

Dans les coûts traditionnels des modules, la puce photonique représente environ 40 % du coût total, tandis que le laser contribue à hauteur d’environ 20 %. Réduire les coûts du laser de 75 % peut réduire le coût global du module d’environ 15 %. En tirant parti de la technologie Silicon Photonics, il est possible d’obtenir une forte intégration des modulateurs et des chemins optiques passifs sur une seule puce, ce qui réduit considérablement les coûts des puces.

La faible consommation d’énergie est un autre avantage de la conception SiPh. En remplaçant les signaux électriques traditionnels par des signaux optiques pour la transmission de données, la technologie Silicon Photonics réduit efficacement la consommation d’énergie causée par les pertes résistives et l’atténuation du signal lors des interconnexions à haut débit. 

Le troisième avantage est une intégration et une miniaturisation élevées. La conception SiPh utilise la technologie CMOS pour intégrer plusieurs composants optiques tels que des modulateurs, des détecteurs et des guides d’ondes sur une seule puce photonique au silicium, ce qui se traduit par une taille plus réduite, une densité plus élevée, un conditionnement simplifié et une fiabilité améliorée.

Inconvénients du transceiver photonique au silicium

Bien que les modules Silicon Photonics présentent des avantages à divers égards, ils sont encore confrontés à des défis au niveau technologique actuel. Ces dispositifs ont une faible efficacité de couplage entre les guides d’onde en silicium et les fibres optiques, des pertes élevées, et ne conviennent qu’aux transmissions de courte à moyenne distance. En outre, l’intégration de matériaux composés III-V sur des substrats en silicium pose des problèmes de compatibilité entre les deux matériaux, ce qui entraîne un faible rendement des wafers pour les puces SiPh. Enfin, il n’existe actuellement aucun avantage en termes de coût pour les débits de données inférieurs à 400G.

Les applications du module photonique sur silicium

Les modules Silicon Photonics sont parfaitement adaptés aux scénarios à courte distance et à large bande passante. Les clusters GPU dans les centres de données IA nécessitent des interconnexions 800G, voire 1.6T. La faible consommation d’énergie et la haute densité des modules Silicon Photonics peuvent réduire le TCO. De plus, la technologie CPO permet un conditionnement à distance nulle des moteurs Silicon Photonics avec les puces de commutation, réduisant encore la latence afin de répondre aux exigences de faible latence de l’entraînement IA.

Module SiPh vs module émetteur-récepteur traditionnel, quelle est la différence ?

Architecture technique et matériaux

La voie technologique dominante des modules optiques traditionnels est « l’intégration hybride », dans laquelle certains dispositifs optiques clés reposent encore sur des semi-conducteurs composés III-V. Par exemple, l’InP est utilisé dans les lasers et le GaAs ou le LiNbO3 sont utilisés dans les modulateurs. Ces matériaux nécessitent des processus d’assemblage complexes, y compris l’alignement optique, impliquant une intervention manuelle importante. En prenant comme exemple un module traditionnel 100G, il nécessite l’alignement et le conditionnement de plus de dix composants, notamment quatre lasers 25G, quatre modulateurs et des multiplexeurs/démultiplexeurs, avec plus de 30 étapes de processus.

Les modules Siph utilisent le silicium comme base et gravent des guides d’ondes optiques, des modulateurs, des détecteurs et d’autres composants sur une plaquette de silicium au moyen de procédés de semi-conducteurs CMOS, réalisant ainsi une intégration monolithique. Ce processus est compatible avec la fabrication des CPU et peut utiliser les lignes de production éprouvées d’entreprises comme Intel pour la production de masse, réduisant le nombre d’étapes de fabrication de 60 % et offrant un énorme potentiel de montée en échelle.

 (Source : Broadcom)

Densité d’intégration et taille du module

L’intégration des modules optiques classiques est entravée par des défis liés aux matériaux et à la précision – pour doubler le débit de données, il faudrait combiner presque deux fois plus de composants. Par exemple, un module 400G conventionnel se compose de huit canaux 50G, ce qui est beaucoup plus grand que celui d’un module 100G. Dans un switch 1U, un maximum de 32 modules 400G traditionnels peuvent être déployés, poussant l’utilisation de l’espace à ses limites.

Les modules SiPh utilisent la technologie d’intégration photonique pour compresser des dizaines de composants optiques sur une puce en silicium de 1cm². Par exemple, un module Silicon Photonics 800G possède une puce centrale de la taille d’un ongle, intégrant huit canaux 100G. Cette caractéristique de haute densité permet à un commutateur 1U de déployer 64 ports 800G, doublant ainsi la densité de bande passante et répondant parfaitement aux exigences de haute bande passante des centres de données.

Coût et évolutivité

Les modules optiques traditionnels, dont la plupart sont alignés, conditionnés et testés manuellement, en particulier pour les produits à haut débit où les exigences de précision sont extrêmement élevées, entraînent des coûts durablement élevés. Cette approche technologique montre ses limites lorsqu'elle tente de s'adapter à des débits de données encore plus élevés.

En revanche, le procédé de fabrication des modules photoniques sur silicium est compatible avec les procédés matures de circuits intégrés CMOS. Cela leur permet de tirer parti de la chaîne d’approvisionnement existante et à grande échelle des semi-conducteurs afin de réaliser une production de masse standardisée. Une fois la technologie arrivée à maturité, les modules photoniques sur silicium offrent un potentiel important de réduction des coûts et peuvent évoluer plus facilement vers des débits de données plus élevés et des fonctionnalités plus complexes, offrant une excellente évolutivité.

Caractéristiques de performance

La technologie des modules optiques traditionnels est mature, offre des performances stables et fiables, et conserve encore des avantages irremplaçables dans des scénarios d’application spécifiques, tels que la transmission sur très longue distance. Les modules de photonique sur silicium présentent des avantages significatifs en matière de consommation d’énergie et d’intégration. Cependant, leurs lasers nécessitent encore un couplage externe, ce qui constitue l’un des défis techniques. Néanmoins, avec le développement de la technologie CPO, la consommation d’énergie et la latence peuvent être encore réduites, ce qui correspond précisément aux besoins des futurs centres de données à très grande échelle.

La photonique sur silicium 1.6T entrera-t-elle en production de masse ?

Avec la croissance explosive de l’intelligence artificielle, la demande de modules optiques à haut débit a fortement augmenté. Associée à la technologie Silicon Photonics, qui offre une architecture produit plus rationalisée, les principaux fabricants de modules optiques ont accumulé une expertise technique substantielle dans les puces Silicon Photonics et les technologies associées, tout en maintenant des investissements continus. Par conséquent, les modules basés sur la technologie Silicon Photonics sont de plus en plus privilégiés par les centres de données. À mesure que la chaîne d’approvisionnement Silicon Photonics continue de mûrir, les modules 1.6T SiPh devraient évoluer vers un déploiement à grande échelle vers 2025. En outre, nous devons noter que la production de masse de modules optiques 1.6T Silicon Photonics ne constitue pas simplement une percée dans une technologie unique, mais une percée coordonnée au niveau du système impliquant une série de technologies de pointe, notamment les puces optiques, les puces électriques, les procédés de packaging, la science des matériaux et la gestion thermique. Cela implique également que le nombre de fabricants capables de rivaliser sur le marché 1.6T sera nettement inférieur à celui de l’ère 800G, les barrières industrielles étant considérablement relevées.

Le futur marché des émetteurs-récepteurs photoniques au silicium

Selon les dernières prévisions de Yole Intelligence, le marché des modules Silicon Photonics entre dans une phase de croissance rapide. D’ici 2029, les ventes mondiales de modules Silicon Photonics devraient atteindre 10,3 milliards de dollars.

Parmi eux, les modules Silicon Photonics enfichables pour centres de données représentent la plus grande part, avec un chiffre d’affaires prévu d’environ 5,3 milliards de dollars, soit 52 % du marché total. Les modules Silicon Photonics pour les applications WDM devraient générer environ 4,6 milliards de dollars de chiffre d’affaires, représentant 45 % du marché. En outre, des segments de marché tels que les interfaces d’E/S optiques pour centres de données, les architectures NPO & CPO, les télécommunications sans fil et d’autres applications connaissent également une expansion progressive, contribuant ensemble à plus de 200 millions de dollars de chiffre d’affaires du marché.

Selon les données de Yole, en termes d’expéditions, les expéditions mondiales de modules Silicon Photonics ont déjà atteint près de 6 millions d’unités en 2024, et devraient dépasser 12,5 millions d’unités en 2025, et potentiellement atteindre 18 millions d’unités d’ici 2029.

Conclusion

Les modules optiques en photonique sur silicium combinent les atouts de la photonique et de la technologie CMOS, permettant des coûts réduits, une intégration plus élevée et de meilleures performances thermiques et de bande passante. Ils deviennent une solution clé pour répondre aux exigences du calcul haute performance, de l’entraînement de l’IA à grande échelle et des interconnexions de télécommunications.