Composants optoélectroniques

1. Un peu d’histoire

Nous ne saurions commencer ce chapitre sans rappeler quelque peu tout ce que l’on doit aux découvreurs du siècle dernier.

Maser et laser

Maser est l’acronyme des mots anglais microwave amplification by stimulated emission of radiation, soit en français « amplification de micro-ondes par émission stimulée de rayonnement ».

La théorie du maser et son invention, en 1954, sont dues, quasi simultanément, à l’Américain Charles Townes (Greenville, 1915 - Oakland, 2015) et son équipe et à deux physiciens russes, Alexandre Mikhaïlovitch Prokhorov (Atherton, 1916 - Moscou, 2002) et Nikolaï Gennadyevich Bassov (Ousman, 1922 - Moscou, 2001).

Tous trois ont été honorés en étant colauréats du prix Nobel de physique en 1964 : « pour des travaux fondamentaux en électronique quantique, ce qui a mené à la construction d’oscillateurs et d’amplificateurs basés sur le principe du maser-laser ».

Le fonctionnement du maser est fondé sur le phénomène de l’émission induite, suggéré par Albert Einstein (Ulm, 1897 - Princeton, 1955) en 1917 :

Le laser tire son nom de l’acronyme anglais light amplification by stimulated emission of radiation, soit en français « amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement ». Le laser est une variété de masers utilisée comme source lumineuse produisant des ondes monochromatiques cohérentes.

Premiers lasers

C’est en 1958 ou 1960 (selon les ouvrages) que Théodore Maiman (Los Angeles, 1927 - Vancouver, 2007) développa...

1. Généralités sur les récepteurs optoélectroniques

La fonction d’un récepteur optoélectronique ou photodétecteur est de transformer un signal optique en un signal électrique.

Fonction d’un récepteur optoélectronique

Dans le cadre des communications optiques, les photodétecteurs devront avoir trois grandes qualités :

Deux grands types de photodétecteurs à semi-conducteurs sont présents en télécommunications optiques : les photodiodes PIN et les photodiodes à avalanche. 

2. Photodiodes PIN

Tout d’abord, rappelons qu’un semi-conducteur « intrinsèque » est un solide cristallisé dont la conductivité augmente avec la température. Pour améliorer cette conductivité, on dope ces semi-conducteurs en introduisant des impuretés dans le réseau cristallin. On obtient...

1. XFP

Défini en 2002 par l’association d’industriels XFP-MSA, ce module optique XFP (X pour 10 en numérotation romaine, F pour form-factor et P pour pluggable) autorise des débits jusqu’à 10 Gbit/s comme dans le cas de l’Ethernet 10 GbE. Il est enfichable via une connectique LC. L’association s’est dissoute en 2009. Des industriels comme Cisco ont annoncé que, dès juillet 2024, ces produits ne seront plus en vente.

2. CXP et CXP2

Créé dans les années 2009, le module optique CXP (C, en base hexadécimale, veut dire 12, X pour extended capability et P pour pluggable) est une interface qui offre 12 canaux à 10 Gbit/s par canal afin de fournir une bande passante totale de 120 Gbit/s théorique et de 96 Gbit/s en réel. Il est doté d’une connectique MPO 12+12 (12 fibres pour la transmission et 12 fibres pour la réception) et ses domaines d’utilisation sont les applications Ethernet à 100 Gbit/s, le 100GbE) et le protocole InfiniBand.

La version CXP2 a été développée en 2016 et apporte une nette amélioration en gain de place et en débits. Ainsi, il peut atteindre 26 Gbit/s par lien, soit 300 Gbit/s (12 x 25 Gbit/s). La connectique est une MPO 12 + 12 comme pour le CXP. Ces modules CXP et CXP+ fonctionnent avec les fibres multimodales OMx, sur de courtes distances.

3. Émetteurs-récepteurs SFP et SFP-DD

1. Coupleurs optiques

Un coupleur optique (en anglais, splitter) est un composant passif qui n’intervient pas sur le contenu du signal lumineux. Son rôle consiste simplement à distribuer la puissance d’une fibre principale vers une ou plusieurs autres fibres ou, inversement, à ramener les signaux provenant de plusieurs fibres pour les envoyer sur une autre.

On considère divers types de coupleurs : en X avec deux entrées et deux sorties, en Y avec une entrée et deux sorties ou inversement, en étoile avec n entrées et n ou p sorties, etc. Les valeurs les plus courantes sont 1 x 2, 1 x 8, 1 x 16, 1 x 32 ou 1 x 64. Les dimensions externes des fibres sont le plus souvent de 250 µm ou 900 µm. À noter que de nombreux industriels proposent des coupleurs préconnectorisés afin d’éviter la réalisation d’épissures sur site.

Une autre classification considère les coupleurs indépendants de la polarisation et les coupleurs dépendants de la polarisation qui sont, à leur tour, classés...

1. Raison d’être des cordons optiques actifs

Dans les centres informatiques, que ce soient des centres de données (data centers), des entrepôts de données (data warehouse ou mammoth data center) ou des centres de calcul hautement performants (high performance computing - HPC) équipés de supercalculateurs, les cordons reliant les diverses unités de calcul et de stockage ont suivi deux évolutions majeures :

À titre indicatif, l’augmentation de la puissance de calcul des centres de calcul hautement performant type HPC est telle que l’on parle de calculateurs exaflopiques, c’est-à-dire dont la puissance de calcul est supérieure à l’exaflop (un milliard de milliards d’opérations en virgule flottante par seconde). Ces machines se présentent sous forme de grappe de plusieurs milliers de serveurs (computer cluster) à relier entre eux et aux unités de stockage et autres équipements divers.

C’est en novembre 2022 que la barrière de l’exaflop a été franchie pour la première fois. Ce fut avec le supercalculateur Frontier basé sur l’architecture du HPE Cray EX235a, utilisant des processeurs AMD EPYC 64C 2GHz et doté de 8 699 904 cœurs.

Vous trouverez de plus amples renseignements ici : https://www.top500.org

C’est ainsi que les fibres optiques ont trouvé un domaine d’application clé à travers les cordons optiques actifs (active optical cable - AOC).

2. Présentation générale d’un cordon optique actif

Un cordon optique actif est un lien de câblage entre équipements électroniques. Il accepte les mêmes entrées et sorties électriques qu’un cordon en cuivre actif mais son support entre connecteurs est une fibre optique. Ainsi, les cordons optiques actifs sont composés de quatre parties :

1. Histoire des circuits intégrés photoniques

Pour faire face à la croissance quasi-exponentielle des flux d’informations, les réseaux de communication en fibres optiques gigabitaires, transportant plusieurs centaines de gigabits par seconde, deviennent térabitaires. C’est-à-dire qu’ils sont capables de transporter des flux d’informations de l’ordre du térabit par seconde soit un débit de mille milliards d’informations binaires - 0 ou 1 - transmis en une seule seconde sur une seule fibre optique.

Comment ce « miracle » se réalise-t-il ? La réponse tient en trois mots « circuit intégré photonique » (en anglais, photonic integrated circuit - PIC) ou en deux mots « puces photoniques » (opto chip) et une définition : « Un PIC est un dispositif sur un substrat planaire où la lumière est guidée dans le plan du substrat d’un composant optique vers au moins un autre composant optique ».

Généralités

Ces circuits intégrés photoniques reprennent la tendance et l’évolution que nous avons connues, durant les dernières décennies, dans le domaine des circuits et composants électroniques : de plus en plus petits car de plus en plus condensés, de plus en plus performants, de moins en moins gourmands en énergie, etc. En quelque sorte, ils illustrent la continuité de l’application de la loi de Gordon Moore dans le domaine de la photonique.

Ces circuits représentent une véritable rupture technologique car plusieurs dizaines de fonctions sont intégrées dans une paire de PIC : un pour l’émission et un pour la réception. Parmi les fonctions clés, on trouve la modulation des signaux dont la modulation de phase QPSK (quadrature phase shift keying), le multiplexage dense en longueur d’onde DWDM, la compensation de dispersion chromatique, le traitement de la dispersion de mode de polarisation, la correction d’erreur (forward error correction - FEC), etc. Et, surtout, la diminution drastique des conversions O-E-O (optique-électrique-optique) et donc de leurs coûts induits.

Année du décollage

En septembre 2004, le déclencheur du décollage...