Des micro-ondes photoniques grâce à des peignes de fréquence optiques

Photo des puces photoniques en nitrure de silicium utilisées pour le peigne de fréquences et la génération de micro-ondes photoniques. Crédit: Junqiu Liu and Jijun He (EPFL)

Photo des puces photoniques en nitrure de silicium utilisées pour le peigne de fréquences et la génération de micro-ondes photoniques. Crédit: Junqiu Liu and Jijun He (EPFL)

Grâce à des puces photoniques intégrées fabriquées à l’EPFL, des scientifiques ont fait la démonstration de générateurs de micro-ondes à laser. Ces signaux hyperfréquences, ainsi que leurs porteuses optiques, pourraient être utilisés pour les radars, les communications par satellite et de futurs réseaux sans fil 5G.

Dans notre société de l’information, la synthèse, la distribution et le traitement de signaux radio et hyperfréquences sont omniprésents dans les réseaux sans fil, les télécommunications et les radars. Actuellement, on tend à utiliser des porteuses dans des bandes de fréquences plus élevées, en particulier avec les goulots d’étranglement qui s’annoncent au niveau de la bande passante du fait de la demande pour la 5G et l’Internet des objets, par exemple. La «photonique micro-ondes», une combinaison de l’ingénierie micro-ondes et de l’optoélectronique, pourrait apporter une solution.

Les peignes de fréquences optiques, qui fournissent des centaines de lignes laser équidistantes et cohérentes entre elles, constituent une composante clé de la photonique micro-ondes. Il s’agit d’impulsions optiques ultracourtes émises à une fréquence constante qui correspond précisément à l’espacement entre les fréquences des lignes de peigne. La photodétection des impulsions produit une porteuse micro-onde.

Ces dernières années, des progrès notables ont été réalisés pour les peignes de fréquences à l’échelle de puces générés par des microrésonateurs non linéaires entraînés par des lasers à onde continue. Ces peignes de fréquences dépendent de la formation de solitons de Kerr dissipatifs, des impulsions lumineuses cohérentes ultracourtes qui circulent à l’intérieur des microrésonateurs optiques. De ce fait, ces peignes de fréquences sont généralement appelés «micropeignes à solitons».

Pour générer des micropeignes à solitons, il faut des microrésonateurs non linéaires, qui peuvent être fabriqués directement sur puce grâce à des techniques de nanofabrication CMOS. La cointégration avec des circuits électroniques et des lasers intégrés ouvre la voie à la miniaturisation des peignes, ce qui permet une multitude d’applications en métrologie, en spectroscopie et en communication.

Une équipe de recherche de l’EPFL dirigée par Tobias J. Kippenberg a démontré le fonctionnement de micropeignes à solitons intégrés avec des taux de répétition de seulement 10 GHz. Leur travail a été publié dans Nature Photonics. Ils ont obtenu ce résultat en réduisant les pertes optiques de guides d’ondes photoniques intégrés à base de nitrure de silicium, un matériau déjà utilisé dans les circuits microélectroniques CMOS, qui a aussi servi, pendant la dernière décennie, à fabriquer des circuits photoniques intégrés qui guident la lumière laser sur puce.

Les scientifiques sont parvenus à créer des guides d’ondes à base de nitrure de silicium présentant la perte la plus faible de tout circuit photonique intégré. Grâce à cette technologie, les impulsions solitons cohérentes générées présentent des taux de répétition à la fois dans les bandes micro-ondes K (~20 GHz, utilisée par la 5G) et X (~10 GHz, utilisée par les radars).

Les signaux micro-ondes qui en résultent possèdent des propriétés de bruit de phase égales, voire inférieures à celles des synthétiseurs micro-ondes électroniques commerciaux. La démonstration de micropeignes à solitons intégrés à des taux de répétition de micro-ondes relève des domaines de la photonique intégrée, de l’optique non linéaire et de la photonique micro-onde.

L’équipe de l’EPFL a obtenu un niveau de perte optique assez bas pour permettre à la lumière de se propager sur presque 1 mètre dans un guide d’ondes d’un diamètre de seulement 1 micromètre, soit 100 fois moins que celui d’un cheveu humain. Ce niveau de perte reste certes supérieur de plus de trois ordres de grandeur à la valeur dans la fibre optique, mais il constitue à ce jour la plus faible perte dans un guide d’ondes de confinement dans un espace restreint pour la photonique non linéaire intégrée.

Cette très faible perte découle d’un nouveau processus de fabrication mis au point par des scientifiques de l’EPFL, le procédé damascène photonique de nitrure de silicium. «Lorsqu’il réalisé en utilisant la lithographie à stepper par ultraviolets profonds, ce procédé permet d’avoir des pertes spectaculairement faibles, ce qui n’est pas réalisable si on utilise des techniques conventionnelles de nanofabrication», explique Junqiu Liu, premier auteur de l’article, qui a également dirigé la fabrication des puces de nitrure de silicium nanophotoniques au Centre de micronanotechnologie (CMI) de l’EPFL. «Ces micropeignes, ainsi que leurs signaux micro-ondes, pourraient s’avérer des éléments essentiels pour fabriquer des oscillateurs micro-ondes à faible bruit totalement intégrés pour de futures architectures de radars et de réseaux d’information.»

L’équipe de l’EPFL collabore déjà avec des chercheurs aux Etats-Unis pour mettre au point des modules de micropeigne à soliton intégré hybride associés à des lasers à semi-conducteur à l’échelle d’une puce. Ces micropeignes très compacts peuvent servir à de nombreuses applications, que ce soit pour des émetteurs-récepteurs dans des centres de données, le LiDAR, des horloges atomiques optiques compactes, la tomographie par cohérence optique, la photonique micro-onde ou la spectroscopie.

Funding

Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS)

Agence des projets de recherche avancée pour la défense (DARPA)

References

J. Liu, E. Lucas, A. S. Raja, J. He, J. Riemensberger, R. N. Wang, M. Karpov, H. Guo, R. Bouchand and T. J. Kippenberg, “Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs”. Nature Photonics 20 April 2020. DOI: 10.1038/s41566-020-0617-x