Des filtres photoniques à micro-ondes modulables facilement

Plus rapides et moins gourmands en énergie, les photons pourraient remplacer les électrons dans d’innombrables tâches. Ces petites particules de lumières ont aussi à leur avantage une étonnante plasticité qui leur permet d’offrir une gamme de fréquences de 1000 à 10'000 fois plus large que celle proposée par les électrons. Utiliser la lumière pour manipuler les micro-ondes permet de bénéficier d’une large bande passante inaccessible par les dispositifs purement électriques. C’est donc un tournant attendu pour les systèmes de communication, internet des objets, ou encore le beamforming, une technique de traitement du signal utilisée dans les réseaux d'antennes. Le véritable essor des systèmes photoniques à micro-ondes attend encore la possibilité de les générer sur des puces afin d’en rendre l’utilisation écologique, peu onéreuse et surtout pratique. Le Laboratoire de systèmes photoniques de l’EPFL vient de passer une étape importante dans cette optique : produire des filtres photoniques à micro-ondes reconfigurables sur la puce elle-même, éliminant au passage un appareil externe volumineux, tout en gardant la même qualité d’onde. En créant une interférence entre deux impulsions dans une microcavité, les chercheurs ont également rendu possible le choix des radiofréquences à la sortie, uniquement grâce à la position relative des impulsions des lasers qui peut être précisément contrôlée. Un article est paru récemment dans Nature communication.

Placer les sources de lumière sur la puce

Dans les filtres photoniques à micro-ondes, un signal d'entrée arrive sous forme de radiofréquence. Il est transformé par le système en un signal optique qui sera entièrement traité par des dispositifs photoniques afin d’en extraire les informations, puis un photorécepteur le retransforme en signal radiofréquence. En avril, un autre Laboratoire de l’EPFL, le K-Lab, avait réussi à démontrer la génération contrôlée de différents types de peignes de fréquences formant des impulsions de haute qualité (solitons) sur une puce en nitrure de silicium. Il restait à prouver que les signaux produits pouvaient être utilisés pour manipuler les micro-ondes en offrant une flexibilité, une pureté spectrale, une linéarité et un bruit équivalent aux systèmes précédents plus volumineux. Les chercheurs du Laboratoire de systèmes photoniques ont donc optimisé ces puces afin de les rendre compatibles et aussi performantes que les systèmes utilisés jusque-là.

La technologie de ces puces, plus petites qu’une pièce de monnaie, est basée sur l’interaction entre la lumière et le milieu dans lequel elle se propage. Il est donc possible de modifier les longueurs d’onde émises, en variant la source lumineuse d’entrée ou la forme et la matière des guides optiques qu’elle traverse. « Une source de plusieurs longueurs d’onde combinée simplifie la structure des filtres photoniques à micro-ondes. Ensuite, en étant capables de modifier ces diverses fréquences uniquement grâce à l’optique en ajustant l’entrée et non le support physique, nous obtenons la reconfigurabilité nécessaire », souligne Camille Brès, responsable du Laboratoire de systèmes photoniques. Le tour de force réalisé dans cette étude est de remplacer des générateurs de lumière de la taille d’un ordinateur portable, par de minuscules résonateurs optiques placés sur la puce elle-même, qui grâce à des pulsations laser de départ, génèrent des solitons parfaits.

Choisir les fréquences de sortie

Ces filtres doivent de plus être capables de sélectionner différents types de fréquence de sortie afin de s’adapter à diverses applications. « Les modules externes programmables, nécessaires actuellement pour définir les ondes souhaitées à la sortie et en améliorer la qualité rendent le système complexe et compromettent son potentiel commercial », note Jianqi Hu, doctorant de ce laboratoire de la Faculté STI et premier auteur de l’étude. Pour pallier à ce problème, les chercheurs utilisent sur la puce elle-même l’interférence entre deux solitons qui, en modifiant l’angle entre eux, permet d’accorder le filtre à la fréquence désirée. Cette innovation rend ces systèmes entièrement portables et utilisables pour la 5G et les ondes térahertz.