Quels sont les avantages et les défis de la photonique sur silicium et des circuits photoniques intégrés ?

Les circuits photoniques intégrés (PIC) sont des systèmes optiques miniatures fabriqués à partir de matériaux tels que la silice (verre), le silicium ou le phosphure d'indium. Les PIC permettent de réaliser des conceptions optiques complexes capables d'envoyer et de recevoir des milliards de bits d'information dans un format aussi réduit qu'une barre de chocolat, ainsi que des nez artificiels capables de détecter divers composés et molécules dans l'air ambiant.

En tirant parti des milliards de dollars investis dans les puces CMOS, les circuits intégrés photoniques (PIC) peuvent libérer un potentiel de miniaturisation des procédés de traitement inédit, dépassant les limites de la loi de Moore. Cependant, le marché des PIC reste confronté à des défis importants, notamment les limitations des matériaux, la complexité de l'intégration et la maîtrise des coûts. Des volumes de demande importants sont nécessaires pour compenser les coûts initiaux de conception et de fabrication des PIC, et les délais de production peuvent atteindre plusieurs mois. Le nouveau rapport d'IDTechEx sur le sujet, intitulé « Photonique sur silicium et circuits intégrés photoniques 2024-2034 : Marché, technologies et prévisions », analyse en profondeur le marché des PIC et identifie les émetteurs-récepteurs photoniques pour l'IA comme un segment émergent qui deviendra bientôt la principale source de demande de PIC.

Quels sont les matériaux PIC du futur ?

Il existe une grande variété de matériaux pour les circuits intégrés photoniques (PIC) du futur. La plupart des PIC actuels utilisent des circuits intégrés photoniques à base de silicium et de silice pour la propagation de la lumière ; cependant, en tant que semi-conducteur indirect, le silicium n'est ni une source de lumière efficace ni un photodétecteur performant. C'est pourquoi il est souvent combiné à des matériaux III-V pour les sources de lumière et la photodétection. Néanmoins, le niobate de lithium en couches minces (TFLN), avec son effet Pockels modéré et ses faibles pertes, s'impose comme un candidat de choix pour les applications exigeant une modulation haute performance, telles que les systèmes quantiques ou les futurs émetteurs-récepteurs haute performance. Le phosphure d'indium monolithique (InP) demeure un acteur majeur grâce à sa capacité à la fois à détecter et à émettre de la lumière. Par ailleurs, des matériaux innovants tels que le titanite de baryum (BTO) et les terres rares sont explorés pour leur potentiel dans l'informatique quantique et d'autres applications de pointe.

Comment l'IA modifie la demande en photonique sur silicium et en circuits intégrés photoniques (PIC)

L'essor de l'intelligence artificielle (IA) a engendré une demande sans précédent d'émetteurs-récepteurs haute performance capables de supporter les débits de transmission de données massifs requis par les accélérateurs d'IA et les centres de données. La photonique sur silicium et les circuits intégrés photoniques (PIC) sont à l'avant-garde de cette révolution, grâce à leur capacité à transmettre des données à des vitesses de 1,6 Tbit/s et plus. Comme le démontrent les derniers processeurs Blackwell de Nvidia, qui, selon une étude d'IDTechEx, nécessitent environ deux émetteurs-récepteurs 800G par GPU, le besoin d'une communication efficace à haut débit devient de plus en plus crucial pour l'IA, positionnant la photonique sur silicium et les PIC comme des composants essentiels du futur piloté par l'IA. Le principal moteur du développement des émetteurs-récepteurs PIC est l'IA, car les accélérateurs d'IA plus performants exigeront des émetteurs-récepteurs encore plus performants, avec des émetteurs-récepteurs à 3,2 Tbit/s attendus d'ici 2026.

Quelles sont les applications futures ?

Les circuits photoniques sur silicium et les circuits intégrés photoniques (PIC) trouvent d'autres applications : des interconnexions puce-à-puce à large bande passante aux systèmes d'encapsulation avancés et aux solutions optiques de co-encapsulation. Ces technologies ouvrent la voie à l'informatique de nouvelle génération.

Moteurs et accélérateurs photoniques : en utilisant certains composants photoniques, tels que les interféromètres de Mach-Zehnder, et en contrôlant ces composants par des interconnexions électro-optiques, il est possible de concevoir et de fabriquer des processeurs hautes performances et des dispositifs PIC programmables, ce qui permet d’atteindre des performances supérieures à celles des seuls accélérateurs électroniques.

Capteurs à base de circuits intégrés photoniques (PIC) : Certains matériaux PIC, comme le nitrure de silicium, peuvent être utilisés pour une large gamme de capteurs, allant des capteurs de gaz aux nez artificiels. Le secteur des capteurs médicaux pourrait tirer profit de la miniaturisation des composants optiques dans les dispositifs PIC, avec des applications potentielles dans le diagnostic au point de soins ou les dispositifs portables.

Le LiDAR FMCW basé sur la technologie PIC a le potentiel de transformer les industries automobile et agricole grâce à ses applications dans les drones et les véhicules autonomes.

Systèmes quantiques : Les entreprises investissant dans l’informatique quantique à base d’ions piégés et de photons se tournent vers les circuits intégrés photoniques (PIC) pour obtenir des systèmes quantiques plus stables et évolutifs. Les PIC sont utilisés dans les systèmes quantiques photoniques pour assurer le contrôle précis des photons nécessaire à l’informatique quantique.

Le marché des circuits intégrés photoniques (PIC) devrait connaître une croissance annuelle composée de 8 %, portée par les applications dans les domaines de l'informatique quantique, de la 5G, du LiDAR, des capteurs (notamment les biocapteurs et les capteurs de gaz) et des communications de données pour l'IA. Source : IDTechEx

Le marché de la photonique sur silicium et des circuits intégrés photoniques (PIC) connaît une forte croissance, portée par l'essor de l'intelligence artificielle et la demande croissante d'émetteurs-récepteurs pour les communications de données. Les principaux acteurs du secteur, tels qu'Intel/Jabil, Coherent et Infinera, utilisent activement des PIC dans leurs émetteurs-récepteurs. Innolight, une entreprise chinoise spécialisée dans les émetteurs-récepteurs, a atteint un débit de 1,6 Tbit/s avec ses derniers modèles fin 2023, dont la commercialisation pour les centres de données débutera en 2024. Coherent, qui possède ses propres usines de fabrication de plaquettes InP, développe également des émetteurs-récepteurs plus performants pour des applications dépassant 1,6 Tbit/s. Intel Silicon Photonics, dont le rachat par le groupe Jabil est envisagé, a vendu environ 1,7 million de PIC en 2023, selon une analyse d'IDTechEx, et poursuit le développement d'émetteurs-récepteurs pour les télécommunications et les communications de données. IDTechEx prévoit que la technologie PIC continuera de dominer le marché des émetteurs-récepteurs haute performance, consolidant ainsi sa position de composant essentiel du paysage technologique moderne.

Auteur: 

Auteur : James Falkiner, analyste technologique chez IDTechEx