Des circuits photoniques intégrés à très faible perte

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

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

Des scientifiques de l’EPFL ont mis au point des circuits intégrés au nitrure de silicium à très faible perte. Ces derniers sont essentiels pour de nombreux dispositifs photoniques, comme les peignes de fréquences à échelle de puce, les lasers à largeur de raie étroite, les lidars à détection cohérente, et le calcul neuromorphique.

Le codage des informations en lumière et leur transmission au moyen des fibres optiques sont au cœur des communications optiques. Avec une perte incroyablement faible de 0,2 dB/km, les fibres optiques fabriquées à partir de silice ont posé les bases des réseaux de télécommunication mondiaux actuels et de notre société de l’information.

Cette perte optique ultrafaible est également essentielle à 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 repose sur la photonique intégrée, dont les lasers semi-conducteurs, les modulateurs et les photodétecteurs. Elles sont très utilisées dans les centres de données, les communications, la détection et le calcul.

Les puces photoniques intégrées sont généralement fabriquées à partir de silicium qui est disponible en abondance et possède de bonnes propriétés optiques. Mais le silicium ne peut pas faire tout ce dont nous avons besoin en photonique intégrée. C’est pourquoi de nouveaux matériaux ont fait leur apparition. L’un d’entre eux est le nitrure de silicium (Si3N4), dont la perte optique exceptionnellement faible (ordres de grandeur inférieurs à celles du silicium) en a fait le matériau de choix pour les applications dans lesquelles une faible perte a une importance critique, comme les lasers à largeur de raie étroite, les lignes de retard photoniques et la photonique linéaire.

Aujourd’hui, les scientifiques de l’équipe du professeur Tobias J. Kippenberg de la Faculté des Sciences de Base de l’EPFL ont mis au point une nouvelle technologie pour créer des circuits photoniques intégrés au nitrure de silicium avec une perte optique et une empreinte qui n’ont jamais été aussi faibles. Leurs travaux sont publiés dans Nature Communications.

Combinant la nanofabrication et la science des matériaux, cette technologie repose sur le procédé damascène photonique développé à l’EPFL. Grâce à ce procédé, l’équipe a créé des circuits intégrés avec une perte optique de seulement 1 dB/m, une valeur record pour un matériau photonique intégré non linéaire. Cette faible perte réduit considérablement le budget énergétique pour la création de peignes de fréquences optiques à l’échelle de puce («micropeignes»), utilisés dans des applications comme les émetteurs-récepteurs optiques cohérents, les synthétiseurs micro-ondes à faible bruit, les lidars, le calcul neuromorphique et même les horloges atomiques optiques. L’équipe a eu recours à cette nouvelle technologie pour développer des guides d’ondes de la taille du mètre sur des puces de 5 x 5 mm2 et des microrésonateurs de haute qualité. Ils affichent également un haut rendement de fabrication, ce qui est essentiel pour passer à la production industrielle.

«Ces dispositifs à puce sont déjà utilisés pour les amplificateurs optiques paramétriques, les lasers à largeur de raie étroite et les peignes de fréquences à échelle de puce», affirme Dr Junqiu Liu qui a dirigé la fabrication au Centre de micro/nanotechnologie (CMi) de l’EPFL. «Nous envisageons également la possibilité de voir notre technologie utilisée pour des applications émergentes comme les lidars à détection cohérente, les réseaux neuronaux photoniques et le calcul quantique.»

Funding

Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS)

Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)

References

J. Liu, G. Huang, R. N. Wang, J. He, A. S. Raja, T. Liu, N. J. Engelsen et T. J. Kippenberg, High-yield, wafer-scale fabrication of ultralow-loss, dispersion-engineered silicon nitride photonic circuits. Nature Communications 16 avril 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-21973-z