Opération N° 7 : Interconnexions Optiques

Opération n° 7

INTERCONNEXIONS OPTIQUES F.Gaffiot, Professeur P.Rojo-Roméo, Maître de Conférences

Responsables :

Permanents Frédéric Guy Xavier Philippe Ian Pedro Christian Pierre

G AFFIOT HOLLINGER LETARTRE REGRENY O'C ONNOR ROJO-ROMEO S EASSAL VIKTOROVITCH

Doctorants Post-doctorants, Visiteurs, stagiaires Pr DR CNRS CR CNRS IR CNRS MdC MdC CR CNRS DR CNRS

60% 30 % 20% 10% 50% 50% 30% 20%

Pascal Christelle Grzegorz Faress Edouard

BONTOUX MONAT TOSIK TISSAFI -DRISSI TOURAILLE

Thèse en 2002 Thèse en 2003 Thèse en 2003 Thèse en 2004 Thèse en 2004

Mots clés : interconnexions intra-puces, intégration hétérogène, microphotonique silicium, microlasers III-V sur Si, Modélisation, comparaison électrique – optique, circuits d’interface optoélectronique.

Contexte et objectifs La mise à jour 2001 de l’ITRS le confirme : les interconnexions constitueront un "difficult challenge" pour les générations technologiques postérieures à 2007. Parmi les solutions envisageables, l'optique intégrée est susceptible d'améliorer le compromis vitesse-consommation dans le cas du transfert de l'information sur les liens globaux (dont la longueur est de l'ordre de grandeur des dimensions du circuit) ; de plus, cette solution adresse également le problème du débit global d'entrée/sortie. Enfin le multiplexage en longueur d’onde pourrait offrir des solutions technologiques (réduction de la largeur des bus) et fonctionnelles originales (routage, liens reconfigurables, network on a chip). Il est clair que pour les interconnexions des futurs circuits intégrés, l’optique pourra permettre de lever potentiellement 3 types de verrous : i) La distribution d’horloge (consommation), ii) Les échanges de données, iii) Les entrées-sorties. La thématique « interconnexions optiques » a été initiée au LEOM à partir de 1998. L’analyse des limitations des interconnexions métalliques sur les performances globales des systèmes intégrés, associée à l’intérêt d’exploiter le potentiel technologique de PLATO pour réaliser des dispositifs en microphotonique silicium et le savoir faire du LETI en matière d’intégration hétérogène III-V sur silicium, ont conduit le LEOM à définir, avec le LETI, une stratégie visant à étudier la faisabilité de liens optiques optiques on chip dans le but de proposer une alternative optique aux interconnexions métalliques. Cela a conduit le LEOM à rejoindre le CPMA (Centre de projets en microélectronique avancée) et à animer le projet « interconnexions optiques » à partir de l’année 2000. Ce projet est devenu un thème fédérateur au LEOM et a donné naissance en 2002 à cette nouvelle opération de recherche. Il est maintenant soutenu par trois programmes contractuels, Miphosi (Région), Hétéropt (RMNT) et Lambdaconnect (ACI Nanoscience-Nanotechnologies), avec comme partenaire industriel ST Microelectronics. Concept de lien optique Après une période d’analyse des solutions technologiques possibles (en particulier, dans le but d’assurer la plus grande compatibilité technologique possible avec le process standard de fabrication des systèmes intégrés CMOS), nous avons abouti au concept d’intégration photonique "above IC" : une couche optique (à base de silicium) est rapportée sur le circuit après la fabrication complète du circuit. Cette stratégie permet aussi d’adresser potentiellement le problème des interconnexions chip to chip et a l’intérêt de découpler complètement le process de fabrication des CI de celui de l’intégration photonique. Le lien optique est composé d’une source laser III-V de taille micronique émettant autour de 1.5µm, de guides d’onde et de circuits passifs en silicium, et d’un photodétecteur III-V. La figure ci-dessous représente schématiquement un tel lien. La couche optique active est composée de deux niveaux : Rapport d’activité 2002 du LEOM

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Microguide

Photodétecteur III-V

Microsource laser III-V

Matériaux faible indice (SiO2 )

Interconnexions métalliques

§

un niveau " passif " constitué d’un film de matériau à fort indice (Si) entouré par des films de matériaux à bas indice (SiO2 ) (ce qui assure le fort confinement du champ électromagnétique et donc rend possible la réalisation de composants micrométriques). Les composants passifs sont réalisés en technologie ruban ou basés sur l’exploitation de cristaux photoniques.

§

Un niveau « actif » réalisé par collage moléculaire de films minces d’hétérostructures III-V. In fine, les hétérostructures III-V seront rapportées sous forme de petites vignettes pour minimiser les coûts de fabrication et permettre d’optimiser séparément les configurations des émetteurs et des détecteurs

Les programmes contractuels Le projet RMNT Hétéropt (2000-2004) vise à concevoir et étudier les composants élémentaires et à explorer les technologies nécessaires à l'intégration de systèmes photoniques et optoélectroniques pour la réalisation d'interconnexions optiques intra-puces point à point. Les principaux objectifs scientifiques de Hétéropt sont les suivants : § établir la comparaison la plus fiable possible des performances de l’optique intégrée et des technologies d’interconnexion standard pour les générations technologiques futures et tracer une roadmap pour les composants photoniques élémentaires (microsources et photodétecteurs en particulier), § étudier et optimiser les composants photoniques élémentaires en optique réfractive : dispositifs de guidage sur substrats SOI puis en silicium poly cristallin et sources III-V couplées aux guides, Le projet MIPHOSI a aussi pour objectif d’étudier la faisabilité de microsources III-V couplées à des microguides silicium, mais en utilisant les cristaux photoniques. L’objectif du projet Lamdaconnect (ACI nanosciences- 2002-2004) est de montrer que le multiplexage en longueur d’onde peut être adapté aux communications on-chip et d'évaluer le gain de performances qu’un réseau de communication optique intégré est susceptible d’apporter à une architecture. Ce projet adresse une problématique de long terme (>5ans) et vise à montrer l’intérêt architectural et la faisabilité technologique de l’optique intégrée. Deux approches complémentaires sont mises en œuvre : § une approche système : il s’agira, en partant des évolutions prévisibles des architectures SoC, d’évaluer l’apport du WDM pour la réalisation d’un réseau de communication intégré. Cette étude, fondée sur une modélisation prédictive des réseaux optiques intégrés et sur la comparaison des performances des technologies microélectronique et microphotonique, devra fournir les spécifications des composants photoniques élémentaires permettant d’implémenter un réseau. § une approche composant : une première génération de composants élémentaires (multiplexeurs, démultiplexeurs, filtres add-drop, modulateurs…) dont l’intérêt est manifeste en vue de l’intégration d’un réseau de communication intégré, sera conçue et réalisée. Les moyens mis en œuvre La réussite de ces projets nécessite des moyens de technologique, de caractérisation et de conception importants. Les développements technologiques reposent sur les moyens du LETI (plate-forme Plato pour la fabrication des composants photoniques silicium) et de la centrale de technologie du LEOM (technologie III-V, pour la réalisation des composants actifs). La synergie entre les équipes du LETI et celles du LEOM est en grande partie assurée par quatre chercheurs du LEOM qui interviennent de manière récurrente au LETI. Leur apport concerne le design proprement dit des structures, le suivi des lots et le back-end. Par ailleurs, un consortium d’équipes issues des laboratoires français parmi les plus actifs dans les domaines de la photonique intégrée s’est constitué et permet une répartition efficace des tâches de design et de caractérisation. Rapport d’activité 2002 du LEOM

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Conception et Modélisation de la Répartition de l’Horloge Des Systèmes Intègres Par Voie Optique Grzegorz Tosik, Ian O'Connor, Frédéric Gaffiot Collaborations : Instytut Electronicki – TU Lodz (Z.Lisik et al.)

Introduction Les circuits et systèmes intégrés travaillent à des fréquences de plus en plus élevées et les performances globales des systèmes viennent à être limitées non plus par le retard dans les composants logiques mais par les conditions de synchronisation du flot de données. Le signal d’horloge, doit être distribué sur toute la surface du circuit en maintenant son intégrité et en limitant le retard différentiel (le skew), le retard de phase et la sensibilité des conditions de propagation aux variations des paramètres technologiques. De plus, ces objectifs doivent être atteints en minimisant la puissance consommée et l’utilisation de ressources (surface de silicium). A cause de la diminution continuelle du paramètre métrique de la technologie et de l’augmentation de la fréquence de fonctionnement et du nombre d’unités fonctionnelles intégrées sur un circuit, les contraintes de conception qui pèsent sur la distribution d’horloge sont de plus en plus fortes et la distribution d’horloge (et plus généralement les interconnexions les plus longues) peut constituer dans l’avenir un goulot d’étranglement dans la poursuite de l’évolution des performances des systèmes intégrés. Les interconnexions optiques pourraient constituer une alternative viable à la technologie standard des interconnexions métalliques, pour la distribution de l’horloge et pour les interconnexions à longue distance. Parmi les avantages intrinsèques des interconnexions optiques, on compte une bande passante accrue, la réduction du cross talk et la réduction de la consommation de puissance. Dans ce cadre général, il s’agit tout d’abord de comparer sans ambiguïté les performances (en terme de puissance dissipée et de skew) une distribution classique et une distribution optique pour les prochaines générations technologiques. Modélisation de la distribution d'horloge 1 Différentes stratégies sont utilisées pour distribuer l'horloge d'un circuit intégré 1

P.J.Restle and al. "A Clock Distribution Network for Microprocessors", IEEE J. of Solid-State Circuits, vol.36, NO.5, may 2001 ; D.W.Bailey and B.J.Benschneider "Clocking Design and Analysis for a 600 MHz Alpha Microprocessor", IEEE J. of Solid-State Circuits, vol.33, NO.11, Nov. 1998 ;

complexe, celle qui produit le skew le plus faible utilise des arbres équilibrés. La figure 1 montre un exemple d'arbre en H. Bien que cet arbre soit "routé" sur les niveaux métalliques supérieurs où les pistes sont les moins résistives, les contraintes temporelles conduisent à diviser les branches de cet arbre en segments alimentés par un répéteur (fig.2). L

L

Figure 1 : arbre de distribution d'horloge primaire équilibré

l

S

k longueur totale Figure 2 : insertion de répéteurs sur un lien de grande dimension

Dans le cadre de la thèse de G.Tosik , nous avons conçu un outil logiciel, appelé ICAL, permettant d'optimiser la structure du réseau d’interconnexion (nombre (k), taille (S) et espacement (l) des répéteurs) qui minimise la puissance électrique consommée tout en respectant les contraintes temporelles pesant sur la propagation du signal.

Principe de ICAL La figure 3 décrit la structure générale de ICAL:

Simon Tam and al. "Clock Generation and Distribution for the First IA-64 Microprocessor", IEEE J. of SolidState Circuits, vol.35, NO.11, Nov. 2000. Rapport d’activité 2002 du LEOM

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paramètres électriques des interconnexions

paramètres des transistors

calcul du délai

(ρ,résistivité des matériaux métalliques et εILD constante diélectrique des isolants) de l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). Des simulations électromagnétiques ont permis de valider la précision des équations analytiques utilisées (fig.5) :

structure de l'arbre

optimisation (puissance minimale)

calcul des ressources (puissance, répéteurs)

netlist Spice (vérification)

Figure 5 : simulation électromagnétique (calcul du champ électrique pour une technologie 0.1µm)

Figure 3 : organisation générale de ICAL

L'optimisation de l'arbre d'horloge est fondée sur une expression analytique du retard de 1 propagation sur un segment de ligne , fonction des paramètres électriques de la ligne et de ceux des répéteurs. Après la phase d'optimisation, ICAL détermine les ressources nécessaires à la réalisation de l'arbre de distribution et extrait une netlist de type SPICE du réseau optimisé afin de vérifier ses performances temporelles. Caractéristiques électriques des interconnexions L'extraction des caractéristiques linéiques des pistes d'interconnexion est, en particulier, fondée sur l'analyse de la structure générale d'un réseau d'interconnexion (fig. 4). S

H

W

ρ H

Résultats et perspectives ICAL permet donc de déterminer pour les générations technologiques actuelle et à venir, les performances des interconnexions métalliques. En particulier, ICAL permet d'estimer la puissance consommée et la surface de silicium, utilisée par les répéteurs, nécessaires à la transmission du signal d'horloge. Un travail analogue est actuellement en cours de développement visant à estimer les performances d'un arbre de distribution d'horloge optique. Ainsi, il sera possible de comparer les performances relatives des liaisons métalliques et optiques pour la transmission point à point.

T ILD

Figure 4 : structure générale d'un réseau d'interconnexion

Les paramètres électriques (résistance, capacité et inductance linéïques) des lignes d'interconnexion peuvent être calculés 2 analytiquement à partir des données géométriques (H, S, W et T) et technologiques 1

T.Sakurai "Approximation of wiring delay in MOSFET LSI" Journal of Solid-State Circuits Vol.18 No.4 pp.418426, 1983. 2 J.H. Chern, J. Huang, L. Arledge, P.C. Li, and P. Yang, "Multilevel metal capacitance models for CAD design synthesis systems", IEEE Electron Device Letters, Vol.13, pp. 32-34, 1992 ; F. Grover "Inductance Calculations Working Formulas and Tables", Instrum. Soc. of America, 1945. Rapport d’activité 2002 du LEOM

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Conception de systèmes optiques P. Bontoux, F. Gaffiot, G. Jacquemod

Objectifs Dans le cadre des programmes consacrés aux 1 interconnexions optiques , nous nous sommes attachés à définir et développer les outils nécessaires à la conception de systèmes photoniques intégrés. A l'instar des méthodologies issues de la conception des systèmes intégrés, nous cherchons, en particulier, à construire une bibliothèque de composants photoniques élémentaires. Heteropt La viabilité du concept d'interconnexion optique réside dans la compatibilité technologique de fabrication des structures optiques avec les technologies CMOS classiques. L'utilisation d'un substrat SOI (silicon on insulator) autorise un fort contraste d'indice entre le cœur des guides (n1=3.5) et le milieu environnant (n2=1.5), ce qui assure un fort confinement du champ électromagnétique et, donc, permet la réalisation de structures de taille micrométrique.

élémentaires, n'est plus adapté dès lors que l'on cherche à simuler un "système" de grande taille (la charge mémoire et le temps de simulation deviennent rapidement prohibitifs). Il est donc nécessaire de proposer des modèles de niveau d'abstraction élevé permettant de respecter les contraintes de simulation des systèmes intégrés. Ces modèles, fondés sur une résolution analytique, la plupart du temps approchée, des équations de Maxwell ou sur l'analyse des résultats de simulations FDTD, doivent permettre de relier le layout du système optique Modèle analytique : exemple des guides droits La figure 2 donne un exemple de résultat de la simulation FDTD, à deux dimensions, de deux guides droits parallèles (le temps de simulation pour cette structure élémentaire est d'environ 30 minutes sur une station Ultrasparc 20). Le cross-talk est particulièrement visible sur cet exemple, et doit être relié aux dimensions géométriques (en particulier à e).

Composants passifs élémentaires La figure 1 montre les premières structures élémentaires qui ont été conçues et réalisées sur Plato. L'outil de conception principal lors de cette étape est le simulateur FDTD, couplé à l'environnement Cadence, que nous avons développé.

e

guide 1 guide 2

Figure 2 : résultat de simulation de deux guides couplés

Dans ce cas simple, la méthode des perturbations permet de déterminer les conditions de propagation dans la structure. Le couplage entre les guides (crosstalk ) est entièrement décrit par la constante de propagation, β, et les paramètres physiques et géométriques de la structure. Figure 1 : structures élémentaires L'objectif des premiers lots est double : il s'agit, d'une part, de valider les résultats obtenus par la simulation et, d'autre part, de caractériser les structures élémentaires qui seront intégrées dans un système. Conception de systèmes optiques intégrés Le simulateur physique FDTD, très largement employé pour la conception de structures 1

Rappelons-le, Heteropt vise à étudier les interconnexions optiques point-à-point et Lambda-connect, des systèmes plus prospectifs utilisant le multiplexage en longueur d'onde pour la réalisation de véritable réseaux de transmission intégrés (network-on-a-chip)

P. opt. inj. guide 1 P. opt. inj. guide 2

a b

crosstalk

c Figure 3 : simulation comportementale de guides couplés a : puissance de sortie du guide 1 e= 0,3µm b : puissance de sortie du guide 1 e= 0,2µm c : puissance de sortie du guide 1 e= 0,15µm

La figure 3 donne le résultat de la simulation comportementale (les modèles sont écrits en VHDL-AMS) de la structure. La puissance Rapport d’activité 2002 du LEOM

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optique en sortie du guide supérieur est donnée pour 3 valeurs de la distance séparant les guides. Cette simulation s’effectue en environ 2s et permet d’obtenir une simulation complète dans le domaine temporel. Modèle issu de la simulation FDTD : exemple des coupleurs en Y L’étude par FDTD (fig. 4-a) de coupleurs en Y monomodes a permis d’établir une relation analytique entre la puissance de sortie des guides et les paramètres structurels des guides (n1, n2 et d) et les dimensions (L et H) du coupleur. Cette relation permet alors de construire un modèle de haut niveau. La figure 4-b donne la puissance de sortie (en %) d’un des bras du coupleur.

4-a 4-b Figure 4 : simulation d'un coupleur 1è2 (a) par FDTD, (b) modélisation comportementale

Lambdaconnect Dans les architectures actuelles de SoC (system on chip), le débit global de données à échanger entre les différents blocs fonctionnels (quelques dizaine de gigabits par seconde) est réparti sur plusieurs bus de communication. Les contraintes pesant sur le réseau d'échange de données continueront à croître : le nombre de blocs IP intégrables dans un système pourra atteindre quelques centaines et les besoins en débit du système de communication entre ces blocs IP atteindra sans doute quelques terabits par seconde. Pour assurer ces contraintes, le système de communication sera lui aussi conçu comme un bloc IP sur lequel seront "connectées" les unités fonctionnelles : cette architecture matérielle de communication, standardisée est appelée parfois "network on a chip". L’objectif du projet lambdaconnect est d’étudier les possibilités offertes par le multiplexage en longueur d’onde pour la réalisation de réseaux d’interconnexion intégrés reconfigurables. Composants élémentaires Les résonateurs à micro-disques sont des dispositifs de type add-drop (Fig.5). La structure de la figure permet de réaliser une fonction crossbar élémentaire : un signal d’entrée E de longueur d’onde égale à une des longueurs d’onde de résonance du

microdisque est couplé sur la sortie Scross , dans le cas contraire, il est transmis sur Sbar. λ

λ≠ λi

λ= λi Figure 5 : schéma de principe d'un filtre à microrésonateur et sa représentation symbolique (λi est une longueur d'onde de résonance du disque, fonction de son diamètre)

Le diamètre du disque est de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde (quelques microns). La figure 6-a donne les longueurs d'onde de résonance des modes de galerie d'un disque de 4 µm de diamètre ; la figure 6-b les résultats de la simulation FDTD de la structure pour une longueur d'onde de résonance.

6-a 6-b Figure 6 : (a) modes de résonance d'un microdisque (b) cartographie de champ pour λ=1,56µm

La caractéristique de transfert en puissance du dispositif peut s’écrire :  PS  4 / τ 2e   = ∏ 2 2  PI  i 4 / τ e + ω − ωi

(

)

où ωi est la pulsation de résonance considérée et τe est représentatif du couplage entre les guides et le disque. Premier système Ce filtre drop permet de construire un crossbar optique et donc de réaliser un réseau de communication à commutation de circuit configurable par la longueur d'onde d'émission des sources (Fig.7).

Figure 7 : schéma de principe d'un réseau crossbar 4x4 reconfigurable par la longueur d'onde

Rapport d’activité 2002 du LEOM

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Microphotonique Silicium X. Letartre, C. Seassal, P. Rojo Romeo, P. Viktorovitch, P. Bontoux, G. Hollinger Collaborations : LETI-CEA, LTM, SiNaPS-DRFMC-CEA, LPM, IMEP, IRCOM, IEF, Inpact, ST Microélectronics Soutien : Programme Région Rhône-Alpes Miphosi 2000-2003, Programme RMNT Heteropt 2001-2004, ACI NanosciencesNanotechnologies Nasgap 2001-2003

Introduction Cette action vise à la définition et à la réalisation des briques élémentaires nécessaires au développement de circuits intégrés photoniques, sur substrats SOI, avec des technologies compatibles CMOS. Un premier démonstrateur étudié concerne la distribution optique d’un signal d’horloge sur une puce (remplacement point à point des architectures électriques). Cette thématique fait partie des actions menées par le LEOM dans le cadre du CPMA (PLATO).

diaphonie,…). Des exemples de simulation FDTD 2D sont montrés sur les figures 2 et 3.

(a) (b) Fig. 2 : Filtre add-drop à anneau hors résonance (a) et à la résonance (b) détection

PLL

génération

(a)

(b)

Fig. 1 Distribution d’horloge (a) et échange de données (liaisons point à point)optique (b).

Les composants génériques à réaliser sont de deux natures : Passifs ; microguides optiques, coupleurs, structures résonnantes (add-drop), … Actifs ; microsources photonique et détecteurs. La réalisation de la microsource fait elle-même appel à deux voies distinctes suivant que l’on exploite l’intégration hétérogène de composants III-V sur Si, où que l’on cherche à développer des sources « tout Si » (pour une meilleure compatibilité avec les technologies CMOS). Les composants réalisés sont soit réfractifs (microdisques et guides d’onde rubans) soit diffractifs (cristaux photoniques 2D (CP2D)).

Dispositifs passifs La définition des différents composants élémentaires constituant les dispositifs passifs (guides, coupleurs 1 vers n, filtres add-drop, …) a nécessité un effort de modélisation très important (FDTD 2D et 3D principalement) afin de déterminer le dimensionnement optimum des guides (comportement monomode / pertes optiques). Les différentes configurations ont été étudiées (guides droits, virages, coupleurs,

Fig. 3. Coupleur 1 vers 4

Parallèlement à ce travail de modélisation, le LEOM s’est chargé de la conception de structures de test en technologie SOI, en s’appuyant sur le savoir faire du LETI. Le rôle du LEOM dans cette action a été de participer à la définition des étapes de fabrication des structures dans la salle blanche du LETI, de concevoir toutes les bases de données (CADENCE), de suivre la fabrication des différents lots, et d’assurer en partie la caractérisation optique des composants. Afin d’effectuer cette caractérisation, le LEOM a développé un banc de mesures en optique guidée (injection et détection fibrées, insertion par la face clivée du composant, optiques achromatiques, micropositionneurs trois axes à 50 nm, plage de mesure 1460-1570 nm). Depuis le début de cette action, trois séries de structures ont été élaborées au LETI sur PLATO. Une première série a mis en évidence la difficulté de transposer une technologie microélectronique SOI bien maîtrisée au LETI pour une utilisation optique. Après une première adaptation des différentes étapes technologiques, un second lot a été réalisé. Ce lot, contenant des structures réfractives (guides et résonateurs) et diffractives (structures semblables, à CP2D) est en cours de caractérisation au DRFMC et au LEOM. La Rapport d’activité 2002 du LEOM

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figure 4 représente une cavité formée par deux miroirs à CP2D dans un guide SOI de largeur 8µm (période du réseau 390 nm, rayon des trous 115 nm). La structure de bande et les courbes de transmission théorique et expérimentale (mesurée au DRFMC) sont représentées figure 5.

Fig. 4 Détail d’une structure à CP 2D

Fig. 5 Structure de bande et courbes de transmission de la structure de la figure 4

Ces premiers résultats, encourageants, ont mis en évidence malgré tout les limites actuelles de la technologie SOI adaptée à la photonique au LETI, particulièrement en terme de rugosité des flancs des guides après gravure. Un troisième lot contenant des structures plus contraignantes (guides d’onde de largeur 0.3µm) a révélé la qualité insuffisante des flancs de gravure, qui induisent des pertes optiques importantes. Ce lot a également pointé la difficulté à obtenir des faces clivées avec une précision spatiale inférieure à 20µm, nécessaires pour des mesures optiques guidées avec introduction de la lumière "par la tranche". Ce problème est à présent résolu, et une procédure de découpe/polissage des structures à été développée et validée au LETI. La rugosité des flancs des guides SOI est l’objet de tests actuellement au LETI, tandis que les bases de données développées au LEOM ont été modifiées pour relâcher les contraintes dimensionnelles de certaines structures.

Structures actives Un volet de cette action est l’étude de la faisabilité de microsources photoniques fonctionnant à 1.5µm et réalisées en technologie silicium. Cela pourrait être à terme une alternative aux sources réalisées par intégration hétérogène de semiconducteurs IIIV sur silicium. Ce travail, coordonné par le DRFMC (E. Hadji et al) est mené dans le cadre d’une ACI « Nanostructures ». Il se propose de combiner le confinement optique 2D obtenu à l’aide d’une cavité insérée dans un cristal photonique réalisé dans une membrane silicium, et un confinement vertical réalisé par l’insertion de cette membrane dans une cavité Fabry-Pérot. On a ainsi la possibilité d’augmenter le taux d’émission spontanée en réalisant des cavités de très petit volume et de facteur de qualité important. Le matériau optiquement actif peut être obtenu en dopant le silicium avec de l’erbium, du bore ou du phosphore. Une émission de lumière est attendue du fait du fort confinement optique 2D + 1D de la structure. Pour valider ce concept, le DRFMC a développé un substrat "optique" composé d’un miroir de Bragg "inférieur" SiO2/Si3N4 recouvert d’une membrane de silicium dans laquelle peut être structuré le cristal photonique. Le miroir de Bragg "supérieur" est ensuite déposé. Le projet s’appuie largement sur la technologie du LETI (dépôts, collage moléculaire Si sur SiO2, lithographie électronique). Par des simulations FDTD, noud avons montré que la présence d’une structure à CP dans une membrane permet de rediriger la lumière guidée et d’ajuster le coefficient de qualité du résonateur global. Un lot de validation a été démarré au LETI, dans une technologie simplifiée intégrant uniquement le miroir inférieur de la cavité Fabry-Pérot, de manière à s’affranchir du problème du remplissage des trous du cristal photonique en SiO2, qui n’a pas encore été validé au LETI. Des simulations ont été effectuées pour tenir compte de l’absence de miroir supérieur. Elles montrent (figure 6) que l’on peut optimiser le design de la structure pour obtenir des facteurs de qualité importants.

80nm SiO2

λ=1.485 λ µm Q=65

300nm SiO2

λ=1.475 λ µm Q=190

Fig. 6 Influence de la distance entre la membrane à CP et le miroir de Bragg sur le facteur de qualité du mode de la cavité

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Intégration de Microsources Lasers III-V sur Silicium C. Monat, X. Letartre, C. Seassal, P. Rojo Romeo, P. Regreny, M. Gendry, P. Viktorovitch, G. Hollinger Collaborations : LETI-CEA, LPM, IEMN, IMEP, IRCOM, LTM, SiNaPS-DRFMC-CEA- ST Microelectronics Soutien : Programme Région Rhône-Alpes MIPHOSI 2000-2003, Programme RMNT HETEROPT 2001-2004

Intégration hétérogène InP sur Si Les structures laser sont obtenues par épitaxie au LEOM. La structure active est épitaxiée sur une couche sacrificielle d’InGaAs, celle-ci reposant sur un substrat d’InP. après un dépôt de SiO2, la structure III-V est reportée au LETI sur un substrat d’InP (ou SOI) recouvert de silice. Le substrat d’InP est ensuite éliminé sélectivement par rapport à la couche sacrificielle d’InGaAs, puis cette dernière est retirée à son tour. On obtient un report pleine plaque (deux pouces) d’InP sur Si sans défauts (fig. 1-a). La microsource est alors structurée par gravure ionique réactive (fig. 1-b).

SiO2 MPQ InGaAs

270 nm SiO2

Silicium Interface de collage Fig. 1

(a) Image en transmission infra rouge d’une plaque d’InP 2’ après report sur Si. (b) source laser à microdisque reporté

Le report d’InP sur Si à travers une couche de silice permet de régler le couplage vertical entre la source et un guide d’onde réalisé dans le silicium (structure SOI). Il permet aussi l’accès aux contacts électriques nécessaires au pompage électrique du laser. Structures laser III-V / Si Les structures laser sont réalisées dans des couches guidantes monomodes d’épaisseur λ/2n (240nm environ). Elles sont constituées de barrières d’InP au sein desquelles sont

insérés un ou plusieurs puits quantiques d’InAsP ou plans d’îlots quantiques InAs. Des microlasers à base de microdisques ou de cavités dans un cristal photonique 2D ont été réalisées sur la plate-forme du LEOM. Les résultats de l’étude concernant les lasers à CP2D sont détaillés dans l’opération N°6 « microphotonique ».

Fig. 2

(a) Microdisques reportés sur Si. (b) Cavité à CP2D (H5).

En pompage optique (impulsions de 20ns, rapport cyclique 10%) à température ambiante, on observe sur les microdisques à puits quantiques un spectre d’émission spontanée contenant plusieurs pics, et on obtient un effet laser pour des puissances de pompage aussi faibles que 250µW. La faible différence de seuil entre les sources à un puits et trois puits indique que la puissance nécessaire pour obtenir la transparence du matériau est négligeable devant celle à fournir pour compenser les pertes optiques des cavités. Les hétérostructures à îlots quantiques réalisées jusqu’à présent présentaient un gain optique trop faible (trop grande dispersion en taille) pour compenser les pertes optiques des microcavités. En particulier, les disques reportés ont des pertes plus importantes liées à la présence de la couche de SiO2 et au couplage avec le substrat Si. Le bilan gain / pertes optiques est résumé à la figure 3.

Gain Modal

Les sources de taille micronique, émettant dans la gamme de longueurs d’onde 1.3 – 1.6µm sont des composants indispensables pour le développement des technologies de liens optiques intra-puce. L’objectif est d’obtenir une émission de lumière dans le plan, et un faible seuil laser. Pour cela on exploite les potentialités offertes par les semiconducteurs III-V de la filière InP et les techniques de report hétérogène InP sur Si développées au LETI.

Puits multiples Pertes optiques cavité à CP2D Simple puit Pertes optiques microdisque Boîtes quantiques

Puissance de pompage

Fig. 3 Bilan gain modal / pertes optiques des microsources

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Opération N° 7 : Interconnexions Optiques

Pompage électrique Le pompage électrique des lasers est un des points technologiquement difficiles à résoudre. Un des problèmes est dû à la nécessité de disposer d’une jonction p/n, pour réaliser l’injection des porteurs, sur une épaisseur de matériau nécessairement très faible (λ/ 2n à λ/n, c’est à dire 250 à 500 nm environ). A cette contrainte s’ajoute la réalisation des contacts en elle-même ; la qualité des contacts p sur InP est mauvaise par nature, sauf pour des 19 -3 dopages de l’ordre de 10 cm . Enfin, la présence de contacts métalliques absorbants à 1,5µm dégrade les performances optiques de la source. Le LEOM développe deux approches : contacts semiconducteurs et contacts à base d’ITO. Dans la première approche le contact ohmique inférieur est obtenu à l’aide d’une couche mince semiconductrice fortement dopée, le contact supérieur est soit métallique (pont à air ou silice) soit en ITO (figure 4). SiO2 SC p+ métal SiO2

SC n+ métal

Si Fig. 4 Injection électrique avec contacts semiconducteurs

Nous avons vérifié par simulation FDTD qu’une couche de 100 nm d’épaisseur de

même indice que la source ne modifie pas significativement le facteur de qualité d’un mode propre de la cavité. La principale difficulté reste le contrôle fin de la profondeur de gravure de la couche III-V. Dans la deuxième approche les contacts sont obtenus par dépôt d’une couche d’ITO (figure 5). SiO 2 métal

ITO métal

SiO 2

Si Fig. 5 Pompage électrique par des contacts ITO.

Une étude des conditions de dépôt – recuit de couches d’ITO (opération N°4) a permis de définir des propriétés satisfaisantes ainsi que des conditions de dépôt et de recuit "douces" -3 (résistivité de l’ordre de 2x10 Ωcm, transmission supérieure à 80% autour de 1.5µm). Une étude de la nature du contact ITO – InP de type p, contact ITO – InP de type n, et ITO – métal (Ni) a été menée. Le problème du contact sur InP de type p demeure pour les deux approches. Une solution consiste à réaliser une jonction tunnel n+/p+ et à utiliser un contact ohmique de type n. Le LEOM a démarré une étude sur les jonctions tunnel à base d’InP ou de quaternaires. Les principales difficultés résident dans les dopages très importants à fournir (particulièrement de type p) et dans les épaisseurs très faibles disponibles. Les premiers résultats, encourageants, montrent qu’il est possible d’obtenir des jonctions tunnel InP sur des distances très courtes (figure 6). InP 1100Å n+ Caractéristique I(V) l'échantillon E1008: mise en évidence de la jonction tunnel

0,10

100Å InP n++ 0,05

100Å InP p++ I [A]

Couplage source III-V– guide Si Dans le but de réaliser le couplage vertical d’une microsource laser à un guide d’onde Si, nous avons démarré deux études (sources à microdisques – guides ruban, sources à CP2D – guides ruban et à CP2D) qui s ‘appuient sur la technologie du LETI, notamment pour la lithographie électronique. Un important travail de modélisation a été effectué pour déterminer l’épaisseur optimale des guides monomodes en silicium, et les épaisseurs de silice permettant un couplage adéquat et une bonne canalisation des pertes optiques de la source vers le guide d’onde. Les différentes étapes de technologie incluent la lithographie électronique et la gravure des guides silicium dans une plaque SOI, le dépôt de silice (et le remplissage des trous dans le cas d’une structure à CP2D) et la planarisation, le report hétérogène des couches III-V et la structuration des microsources (lithographie électronique et gravure ICP des structures III-V). Les lots sont en cours de réalisation au LETI et les composants devraient pouvoir être testés au LEOM avant la fin 2002.

0,00

2000Å InP p+

E1008 -0,05

InP substrat p

-0,10 -1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

V [V]

(a) (b) Fig. 6 Caractéristique Courant-tension (a) de la jonction tunnel (b)

L’étude physique des contacts ohmiques et des jonctions tunnel est en passe d’être achevée. Le LEOM pourra ensuite démarrer un lot de validation du pompage électrique, avec l’aide des moyens technologiques du LETI (report hétérogène InP sur Si, lithographie électronique, gravure ICP conjointe avec le LEOM, planarisation). Les bases de données sont en cours de définition au LEOM.

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Opération N° 7 : Interconnexions Optiques

Conception de circuits d’interface optoélectronique I. O’Connor, F. Mieyeville et F. Tissafi Drissi Collaborations : LETI (M. Belleville), IMEP Soutien : ARA LETI, RMNT Heteropt

Introduction L'estimation de l'apport éventuel de l'optique dans la réalisation de liens à haut débit impose de prendre en compte les circuits de conversion optoélectronique. En effet, un lien peut être vu comme un sous circuit assurant le transfert d'information entre deux fonctions numériques et la comparaison des technologies réalisant ce lien doit intégrer les circuits d'interface. Ce travail contribue donc à l'objectif global de l'opération : démontrer que l’intégration de l’optique dans le domaine des interconnexions permet d'atteindre des rapports débit/puissance inaccessibles aux interconnexions métalliques. Pour que les interconnexions optiques puissent constituer une alternative viable, leurs performances doivent concurrencer celles des interconnexions métalliques, en particulier en termes de débit (plusieurs Gb/s), d'intégrité de signal et de puissance consommée. De manière générale, la bande passante d'un lien optique (fig. 1) est limitée par celle de l'amplificateur transimpédance, chargé de convertir le courant détecté par la photodiode en tension ; notre effort a donc porté sur cet étage critique. transmission mux

commande

convers ion électroopt.

réception convers ion optoélec.

décis dém ion ux

détection

clock recovery

électronique électronique optique Figure1 : Synoptique d'un lien optique

Expérience passée La thèse de F.Mieyeville (1998-2001), menée dans le cadre d’une collaboration avec le LETI, a fourni la première opportunité de concevoir des circuits d'interface. Le lien global doit assurer un échange de données à 2.5 Gb/s -18 avec un taux d’erreur par bit (TEB) de 10 (la puissance sera minimisée). Les circuits ont été conçus en technologie CMOS 0.25µm de STMicroelectronics, la tension d’alimentation est de 2.5V.

étages sont nécessaires : un étage transimpédance (A-B), un étage d’amplification et de décalage de tension (B-D) et un étage de 1 décision (D-E) .

Figure 2 : Circuit de photodétection

La démarche adoptée a consisté à optimiser le produit gain-bande de chaque étage. Les performances (résultats de simulation postlayout) du circuit sont résumées par le tableau 1. Impédance d'entrée 95Ω Gain de transimpédance (A-D) 18.4kΩ Bande passante (A-D) 1.7GHz Temps de propagation 0.35ns Temps de montée 0.10ns Temps de descente 0.13ns Puissance dissipée 36mW Vdd 2.5V Surface 80x80µm2 Tableau 1 : Performances du circuit de photodétection

Le circuit conçu présente une bande passante insuffisante du fait de la forte valeur de la capacité de la photodiode (~500fF). Des solutions de type architectural (bootstrap, grille-commune) et de packaging (flip-chip, 3 intégration hétérogène 3D ) seront étudiées dans des travaux futurs. Circuit de commande Nous avons adopté une structure classique : un transistor assure la polarisation du VCSEL au dessus de son seuil, un autre assure la modulation du courant de commande (figure 3).

1

Circuit de photodétection Les contraintes sont particulièrement fortes pour le circuit de photodétection dont l'architecture est représentée figure 2. Trois

M. Ingels, M.S.J. Steyaert, "A 1-Gb/s, 0.7mm CMOS Optical Receiver with Full Rail-to-Rail Output Swing", IEEE J. Solid-State Circuits , vol. 34, no. 7, July 1999 3 K. Banerjee et al., "3-D ICs: A Novel Chip Design for Improving Deep-Submicrometer Interconnect Performance and Systems-on-Chip Integration", Proc. IEEE, vol. 89, no. 5, May 2001 Rapport d’activité 2002 du LEOM 91

Opération N° 7 : Interconnexions Optiques

Figure 3 : Circuit de commande

Les circuits de commande ne présentent pas de difficultés particulières dans l'état actuel de la technologie. Cependant, la tension de commande des VCSELs est voisine de 1.9V, pour une tension d'alimentation de 2.5V. Il est clair que la conception des circuits de commande deviendra de plus en plus difficile à mesure que la tension d'alimentation des circuits diminuera. Les performances (résultats de simulation post-layout) du circuit sont résumées par le tableau 2. 0 logique 9.8mA 1 logique 12.1mA Temps de montée 0.01ns Temps de descente 0.02ns Rapport cyclique 0.4 Taux de réjection des alimentations -36dB Puissance dissipée 36mW Vdd 2.5V Surface 40x35µm2 Tableau 2 : Performances du circuit de commande

systématique la réponse fréquentielle d'amplificateurs transimpédance CMOS 3 simple . Cette méthode s'appuie sur une analyse de la réponse fréquentielle de la structure et sur une approximation de ses composants par une fonction de filtrage de Butterworth. A partir du cahier des charges de circuit (gain transimpédance Zg0, bande passante BP et facteur de qualité Q) et des conditions de fonctionnement (capacité Cd de la photodiode et capacité de charge Cl, l'algorithme restitue les paramètres des composants (résistance Rf de contre-réaction, gain en tension Av et résistance de sortie Ro de l'amplificateur). L'algorithme a été programmé en langage Java et converge systématiquement en moins d'une seconde (typiquement quelques dizaines d'itérations) à une précision supérieure à 0.1% sur une station Sun Sparc5. Nous avons utilisé cette procédure pour établir l'espace de conception du circuit (figure 5) : les valeurs requises de Av et de Ro sont tracées en fonction de la bande passante et du gain transimpédance : au moins deux étages sont nécessaires pour respecter les spécifications des interconnexions optiques.

Test des circuits Les circuits ont été fondus par l'intermédiaire du CMP et caractérisés à l’IMEP. Si les circuits se sont révélés fonctionnels en statique, il n'a pas été possible de vérifier leur fonctionnement dynamique. Les travaux futurs intégreront les aspects de testabilité en collaboration avec l'IMEP. 1150µm Figure 5 : Espace de conception Ro/Av en fonction de la bande passante et du gain transimpédance

1000µm

Figure 4 : Layout des circuits d'interface

Méthodologies de conception d'amplificateurs de transimpédance Pour estimer les ressources que ces circuits mobiliseront (puissance consommée et surface de silicium) dans les générations technologiques successives, nous avons développé une méthode de conception rapide et robuste pour maximiser de façon

Conclusions et perspectives Ces premiers circuits constituent un point de départ du travail de conception des circuits d'interface nécessaires aux projets sur les interconnexions optiques. En parallèle, l'extension du travail sur les méthodologies de conception à des architectures plus complexes est en cours. Nous procédons également à la réalisation d'une procédure de conception hiérarchique. Ce travail s'appuie fortement sur le projet Rune (opération 8), dans le cadre de la thèse de F. Tissafi-Drissi.

3

C-W. Kuo et al., "2 Gbit/s transimpedance amplifier fabricated by 0.35µm CMOS technology", Electron. Lett., vol. 37, no. 19, September 2001 Rapport d’activité 2002 du LEOM 92

Opération N° 7 : Interconnexions optiques

Perspectives

Cette opération de recherche vise à s’attaquer à un des points bloquants identifiés par les industriels de la microélectronique pour les futurs générations de circuits intégrés sub 50nm : celui des interconnexions. Le but du LEOM est d’aborder simultanément les aspects systèmes et les aspects technologie et, de ce fait, cette opération mobilise les énergies de plusieurs équipes du Laboratoire aux compétences complémentaires et implique des collaborations multiples : LETI, DRFMC, LTM, LPM, IMEP, IRCOM, ST etc .. L’objectif à moyen terme étant de réaliser des liens optiques au dessus des interconnexions metalliques d’un circuit intégré, la stratégie est d’étudier les concepts au LEOM et d’y réaliser les composants élémentaires puis de réaliser des circuits photoniques à base de ces composants élémentaires en utilisant la plate-forme technologique du LETI. On peut considérer que les projets sur PLATO son encore en phase de démarrage et qu’ils vont monter en puissance dans les années qui viennent . Le cadre est fixé par les projets MIPHOSI, HETEROP, LAMDACONNECT et les interactions entretenues avec STMicroelectronics. Les projets nécessiteront un fonctionnement optimal des plates-formes du LETI et du LEOM et une optimisation des procédures combinant l’utilisation des deux plates-formes. En parallèle à l’effort technologique, des recherches actives continueront à être menées dans le domaine des « systèmes » dans le but, d’une part, d’actualiser et de préciser quantitativement, en fonction des données connues sur les futures technologies et sur les fonctions des futurs « systems on chip » (SOC), les avantages apportés par l’optique dans les interconnexions et, d’autre part, de définir une « roadmap » concernant le développement des technologies de liens optique intrapuces (cahier des charges pour les disposifs actifs et passifs).

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