Les circuits intégrés conventionnels fonctionnent en conduisant l’électricité ou en permettant aux électrons de circuler librement dans le circuit. Les électrons sont des particules subatomiques à charge négative interagissant entre eux et avec d’autres particules. Ces interactions ralentissent les électrons dans leurs déplacements dans les circuits intégrés, limitent la quantité d’informations pouvant être transmises et génèrent de la chaleur, ce qui entraîne une perte d’énergie. Un dissipateur de chaleur ou une autre technique de refroidissement est le plus souvent nécessaire pour réguler la génération de chaleur, sans quoi les composants électriques risquent de subir des dommages irréversibles.

Les circuits intégrés photoniques utilisent des photons, particules élémentaires sans masse représentant un quantum d’énergie de lumière, au lieu d’électrons. Les photons se déplacent à la vitesse de la lumière dans le milieu de transmission, en n’interférant pratiquement pas entre eux. Cet avantage permet d’augmenter de manière significative la bande passante et la vitesse du circuit, tout en réduisant énormément la perte d’énergie, pour un meilleur rendement énergétique. Des techniques de multiplexage permettent d’envoyer un très grand nombre de signaux à travers une fibre optique monomode, dépassant de plusieurs ordres de grandeur le nombre de signaux pouvant être transmis par le cuivre. Un seul faisceau de fibre de câble à fibre optique d’un sous-marin transatlantique peut transmettre des millions d’appels téléphoniques simultanés sur environ 100 km avant que la moindre amplification soit nécessaire. Par ailleurs, les amplificateurs eux-mêmes sont des lasers à pompage optique : aucune technique électronique n’est employée.

En revanche, les dimensions des CIP ne sont pas à leur avantage. Actuellement, la densité des transistors de circuits intégrés est d’environ cent millions de transistors par millimètre. Cela permet de produire des circuits intégrés à l'échelle nanométrique et de fabriquer des PC, smartphones et autres articles de technologie portable aux formats pratiques que nous connaissons. Même si les CIP sont de plus en plus petits, ils restent néanmoins à l’échelle du micron.

Technologie hybride : combinaison de circuits photoniques et conventionnels

Les CIP restent une technologie en développement. Les systèmes entièrement photoniques utilisant des CIP presque exclusivement avec des niveaux de complexité et d'infrastructure de dispositifs électroniques tels que les ordinateurs n’ont pas encore vu le jour. Pourtant, des composants de certains systèmes photoniques sont actuellement ajoutés ou remplacés au sein de systèmes électroniques plus volumineux, afin d’améliorer l'efficacité, plutôt que d’être utilisés au sein de systèmes entièrement photoniques. Cette progression est comparable à la manière dont les systèmes numériques ont remplacé peu à peu des composants analogues anciens, par exemple pour les thermomètres ou téléphones à cadran au cours de la deuxième moitié du 20ème siècle, avant de progresser vers des systèmes plus complets et plus complexes.

Cette tendance se reflète notamment dans le secteur des télécommunications, où des informations haut débit sont transmises via des guides d’ondes à fibre optique (Figure 2). Les informations doivent ensuite être converties en signaux numériques pouvant être traités par les dispositifs électroniques usuels, car les infrastructures énergétiques et réseaux de données traditionnels existent sur les structures électriques, tandis qu’elles n'existent pas sur les structures photoniques. Étant donné que les systèmes optiques offrent un meilleur rendement énergétique que les systèmes électriques, les CIP continueront probablement à remplacer les circuits intégrés conventionnels dans un nombre d’applications.

Figure 2: Les composants photoniques ont remplacé de nombreux composants électroniques dans le domaine des télécommunications en raison de leur efficacité et de leur rapidité

Le développement du silicium comme substrat semi-conducteur viable pour les composants photoniques rend l’intégration de CIP et de circuits intégrés plus facile à concrétiser. Les CIP sont le plus souvent fabriqués sur une grande diversité de substrats, parfois à couches multiples, par exemple à base d’InP et de GaAs. Cependant, face à l’omniprésence et à l’abondance des substrats en silicium pour la plupart des circuits intégrés et composants électroniques, l’intégration de CIP à des dispositifs existants sera nettement facilitée sur les substrats en silicium. Par exemple, le développement de diodes nanolaser intégrées à des micropuces en silicium facilite les communications sur puce et le traitement des données.