Technologie innovante pour la construction de circuits photoniques intégrés à très faible perte

Puces photoniques en nitrure de silicium intégrées avec guides d’ondes en spirale d’un mètre de long. Crédit: Jijun He, Junqiu Liu (EPFL)

Le codage des informations en lumière et leur transmission par fibres optiques sont au cœur des communications optiques. Avec une perte incroyablement faible de 0,2 dB / km, les fibres optiques en silice ont jeté les bases des réseaux de télécommunications mondiaux d’aujourd’hui et de notre société de l’information.

Une telle perte optique ultra-faible est également essentielle pour la photonique intégrée, qui permet la synthèse, le traitement et la détection de signaux optiques à l’aide de guides d’ondes sur puce. Aujourd’hui, un certain nombre de technologies innovantes sont basées sur la photonique intégrée, y compris les lasers à semi-conducteurs, les modulateurs et les photodétecteurs, et sont largement utilisées dans les centres de données, les communications, la détection et l’informatique.

Les puces photoniques intégrées sont généralement constituées de silicium qui est abondant et possède de bonnes propriétés optiques. Mais le silicium ne peut pas faire tout ce dont nous avons besoin en photonique intégrée, de sorte que de nouvelles plates-formes matérielles ont vu le jour. L’un d’eux est le nitrure de silicium (Si3N4), dont la perte optique exceptionnellement faible (des ordres de grandeur inférieurs à celui du silicium), en a fait le matériau de choix pour les applications pour lesquelles une faible perte est critique, comme les lasers à largeur de raie étroite, photoniques lignes à retard et photonique non linéaire.

Aujourd’hui, les scientifiques du groupe du professeur Tobias J. Kippenberg de l’Ecole des sciences fondamentales de l’EPFL ont développé une nouvelle technologie pour la construction de circuits photoniques intégrés en nitrure de silicium avec des pertes optiques record et de faibles empreintes. L’ouvrage est publié dans Communications de la nature.

Alliant nanofabrication et science des matériaux, la technologie est basée sur le procédé photonique Damascène développé à l’EPFL. En utilisant ce procédé, l’équipe a réalisé des circuits intégrés de pertes optiques de seulement 1 dB / m, une valeur record pour tout matériau photonique intégré non linéaire. Ces faibles pertes réduisent considérablement le budget de puissance pour la construction de peignes de fréquence optique à l’échelle de la puce («microcombes»), utilisés dans des applications telles que les émetteurs-récepteurs optiques cohérents, les synthétiseurs micro-ondes à faible bruit, le LiDAR, le calcul neuromorphique et même les horloges atomiques optiques. L’équipe a utilisé cette nouvelle technologie pour développer des guides d’ondes d’un mètre de long sur des puces de 5 × 5 mm2 et des microrésonateurs de haute qualité. Ils signalent également un rendement de fabrication élevé, ce qui est essentiel pour passer à la production industrielle.

«Ces dispositifs à puce ont déjà été utilisés pour des amplificateurs optiques paramétriques, des lasers à largeur de ligne étroite et des peignes de fréquence à l’échelle de la puce», explique le Dr Junqiu Liu qui a dirigé la fabrication au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l’EPFL. «Nous sommes également impatients de voir notre technologie utilisée pour des applications émergentes telles que LiDAR cohérent, les réseaux de neurones photoniques et l’informatique quantique. »

Référence: «Fabrication à grande échelle et à grande échelle de circuits photoniques en nitrure de silicium à très faible perte d’ingénierie par dispersion» par J. Liu, G. Huang, RN Wang, J. He, AS Raja, T. Liu, NJ Engelsen et TJ Kippenberg, 16 avril 2021, Communications de la nature.
DOI: 10.1038 / s41467-021-21973-z