Circuits photoniques imprimés en 3D pour une intégration efficace et évolutive des plates-formes photoniques hybrides

3D printed photonic circuits towards efficient and scalable integration of hybrid photonic platforms

• Auteur / Autrice : Adrià Vallmajo Grabulosa
• Direction : Daniel Brunner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : François Courvoisier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Satoshi Sunada, Christophe Moser

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés photoniques

Mots clés libres

Photonique intégrée 3D

Guides d'ondes photoniques en 3D

Fabrication additive

Polymérisation à un photon

Polymérisation à deux photons

Compatibilité CMOS

3D photonic integration

3D photonic waveguides

Additive fabrication

One-Photon polymerization

Two-Photon polymerization

CMOS compatibility

Résumé

Ces dernières années, la miniaturisation des circuits intégrés électroniques modernes a atteint une limite fondamentale à 2 nm, tandis que de nouveaux concepts tels que les réseaux de neurones, qui jouent déjà un rôle majeur dans les sociétés modernes, amplifient encore ce défi. La quantité d'énergie utilisée pour la communication sur des canaux denses et multiples limite les améliorations des circuits électroniques à haute performance. Les technologies modernes sont basées sur des plates-formes bidimensionnelles (2D), et l'utilisation de la troisième dimension est une stratégie prometteuse pour réaliser des connexions efficaces dans de petits volumes. En utilisant les processus de polymérisation à un et deux photons avec des paramètres d'écriture directe par laser, une boîte à outils complète de composants optiques pour l'intégration photonique tridimensionnelle (3D) est présentée. Une nouvelle configuration de lithographie nommé flash-TPP est développée pour construire des guides d'ondes photoniques et des séparateurs, tout en augmentant les performances et en réduisant les temps de fabrication de 90%. Ce concept permet une fabrication monolithique et en une seule étape, en utilisant des résines photosensibles commerciales, ce qui rend le processus entièrement compatible avec plateformes CMOS. Cela a été confirmé par l'impression de guides d'ondes photoniques 3D sur des substrats semi-conducteurs intégrant des micro-lasers à points quantiques. Les composants optiques réalisés présentent des performances prometteuses pour réaliser une communication complètement parallèle et efficace à travers un réseau densément connecté, ce qui constitue un aspect fondamental pour les futurs réseaux de neurones.

In the last decades, the prolonged miniaturization of modern electronic integrated circuits (ICs) has reached a fundamental limit at 2 nm feature sizes. At the same time, emerging computing concepts such as neural networks (NNs), which are already playing a major role in modern societies, further amplifying this challenge. The energy consumption required for communicating across dense and numerous channels is severely hampering further improvements in high-performing electronic ICs. However, most of today's leading-edge technologies leverages dense integration in two-dimensional (2D) silicon-based platforms, and adopting the third-dimension is a promising strategy for achieving scalability of connections over the microchip's dimensions. Here, based on additive one- (OPP) and two-photon polymerization (TPP) processes and combined with direct-laser writing (DLW) settings, a complete toolbox of optical components towards three-dimensional (3D) photonic integration is presented. A novel lithography configuration leveraging OPP and TPP, i.e. flash-TPP, is developed for constructing single-mode air- and polymer-cladded photonic waveguides and splitters, all while boosting performances and reducing fabrication times by 90% compared to classical DLW-TPP methods. Crucially, this lithographic concept enables a monolithic and single-step fabrication, using commercially available photoresists, making the overall process fully compatible with complementary metal-oxide-semiconductor platforms. This is validated by printing 3D photonic waveguides onto semiconductor (GaAs) substrates integrating quantum dot micro-lasers, demonstrating promising performances. This first of its kind integrated hybrid device lays the foundation for scalable integration of multi-chip photonic and electronic platforms in hardware, which is challenging if not impossible in 2D. Overall, these building blocks are highly appealing for realizing fully-parallel and efficient communication throughout a densely-connected network, which are pivotal concepts for future NN computing topologies.