Le III-V Lab met au point une photodiode record pour les télécommunications de demain

Le laboratoire III-V Lab, commun à Nokia, Thales et au CEA, spécialisé dans les semi-conducteurs et les composants photoniques, a mis au point une photodiode dotée d’une bande passante de 110 Ghz, soit plus du double que les composants actuel. Un record qui ouvre la voie à des réseaux 5G plus performants.

 

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Le III-V Lab met au point une photodiode record pour les télécommunications de demain
Le III-V Lab peut placer jusqu'à 6000 photodiodes haute performance sur un wafer de 2 inchs

C’est une avancée majeure dans la convergence entre électronique et photonique. Le laboratoire francilien III-V lab, entité commune à Nokia, Thales et au CEA, a annoncé avoir conçu une photodiode plus compacte, dotée d’une bande passante de de 110 Ghz. Il s’agit d’une véritable prouesse dans ce domaine : les photodiodes actuellement sur le marché plafonnent à 50 Ghz.

Cette innovation devrait permettre d’ouvrir à la voie à des réseaux de communications plus rapides. Les photodiodes sont des composants essentiels des réseaux télécoms modernes, car elles permettent de convertir un signal optique en signal électrique, faisant ainsi le pont entre les réseaux de fibres optiques capables de véhiculer les informations à haut débit et les systèmes électroniques.

Une conversion sans traitement du signal

« Nous commencé à travailler sur cette photodiode en 2017, dans le cadre du projet européen H2020 5G-Phos, explique Christophe Caillaud, l’un des chercheurs du III-V lab ayant travaillé sur ce projet. Il visait à trouver un nouveau moyen de communication, plus efficace, entre les serveurs des opérateurs téléphoniques et les antennes. » La photodiode devait pouvoir convertir directement le signal du domaine optique au domaine radio, sans traitement du signal. La conception de ce composant a nécessité tout le savoir-faire du laboratoire dans la mise en œuvre des semi-conducteurs III-V, matériaux clés dans les applications opto-électroniques.

« Nous avons été invités par le consortium européen 5G-Phos à travailler sur cette photodiode car nous maitrisons tous les maillons de la chaîne de production dans la photonique », appuie Franck Mallecot, administrateur du III-V lab pour Nokia. « Cela va de la maîtrise des matériaux, avec l’utilisation de bâtis d’épitaxie de pointe, à la conception même du composant en passant par sa phase de caractérisation. Nous avons des compétences sur toutes ces étapes. »

Une excellente réactivité

La croissance de la photodiode a été réalisée sur un substrat semi-isolant selon le procédé d’épitaxie MOVPE (épitaxie en phase vapeur). La structure comprend une couche d’absorption de 0,2 micron d’arséniure d’indium-gallium (InGaAS) dopée P, une couche barrière de phosphure d’indium (InP) de 0,5 micron et une couche collectrice de phosphure d’arséniure d’indium-gallium (InGaAsP) de 0,4 micron, dopée N.

Principale innovation de cette photodiode, l’épitaxie de la couche InGaAs a été optimisée afin d’obtenir un dopage P à gradient. « Cette maitrise sur le matériau nous permet d’augmenter la réactivité du composant et de diminuer significativement la capacité parasite », pointe Christophe Caillaud.

Vers des composants moins coûteux

Cette approche a permis au III-V lab d’obtenir un design très compact (0,4 x 0,5mm), améliorant ainsi le couplage avec la fibre optique. Cette petite taille permet également d’en produire en plus grand nombre sur un wafer pour en réduire le coût de fabrication. Il est ainsi possible de placer 6 000 photodiodes sur une plaque d’un diamètre de 2 pouces (50,8 mm).

Au niveau de la sensibilité, le composant possède une très haute efficacité : 0,6 ampère par watt (A/W) pour une bande passante de 110 Ghz, 0,8 A/W pour une bande passante de 85 Ghz.

« Cette photodiode constitue une grande avancée pour nous », explique Franck Mallecot « Elle va nous permettre de réduire les coûts des réseaux 5G, qui sont alimentés par un système de fibre optique. Mais elle nous permet également de préparer l’avenir des télécoms, en atteignant dores et déjà les fréquences nécessaires à la 6G ».

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