Impulsions ultra-courtes sur une puce à faible consommation d'énergie

Les impulsions optiques ultra-courtes sont utiles pour un large éventail d'applications telles que le traitement de matériaux par une forte interaction lumière-matière. Dans le domaine des fréquences, un train d'impulsions représente une grille équidistante de lignes de fréquence, appelée "peigne de fréquence optique", indispensable pour le chronométrage, la métrologie et la spectroscopie. 

Bien que les peignes de fréquence aient été démontrés pour la première fois dans des installations laser à verrouillage de mode complexe, il a été démontré il y a plus d'une décennie qu'ils peuvent également être générés dans des micro-résonateurs ayant un facteur de qualité (Q) suffisamment élevé. Cette technologie, connue sous le nom de "micro peigne à solitons", a évolué rapidement au cours des dernières années, donnant naissance à de nouvelles techniques sous des formes compactes et des structures simplifiées, telles que la synthèse de fréquence et la spectroscopie à double peigne.

Un objectif clé dans ce domaine est de construire des micro-résonateurs à haute qualité sur une puce microphotonique qui peut être intégrée dans des appareils électroniques pour des applications portables. Pour ce faire, il faut utiliser des techniques de fabrication modernes compatibles CMOS, développées depuis des décennies et utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs. Le nitrure de silicium (SiN), largement utilisé comme barrière de diffusion dans les circuits intégrés, est le matériau le plus prometteur pour construire des microrésonateurs à base de guides d'ondes intégrés. Pourtant, le facteur Q des micro-résonateurs SiN est encore aujourd'hui relativement faible. Par conséquent, pour générer des micropeignes à solitons dans les micro-résonateurs SiN, des configurations compliquées et gourmandes en énergie, y compris des amplificateurs à fibre optique, sont encore nécessaires, ce qui rend l'objectif - "construire un micropeigne à solitons sur une puce" - extrêmement difficile. 

Dans un nouvel article publié dans Optica, l'équipe de recherche de l'EPFL dirigée par le professeur Tobias J. Kippenberg a mis au point un nouveau procédé de fabrication compatible CMOS pour créer des guides d'ondes photoniques intégrés à base de SiN, avec une perte de propagation lumineuse inférieure à 1dB par mètre, dépassant l'état de l'art par un facteur supérieur à cent. En utilisant ces guides d'ondes pour construire des microrésonateurs intégrés SiN avec un facteur Q supérieur à 15 millions (correspondant à une augmentation de puissance de 10'000 fois à l'intérieur du microrésonateur), on observe des micropeignes de solitons, avec une puissance d'entrée d'appareil record inférieure à 10 mW. Ce niveau de puissance, qui peut être atteint par un pointeur laser normal, comble l'écart entre l'optique non linéaire et la photonique au silicium, permettant la génération d'impulsions ultra-courtes sur une puce en silicium. De tels dispositifs ouvrent la voie à des micropuces à solitons compactes dans des dispositifs portables pour la métrologie et la spectroscopie, avec un coût et une complexité de système très réduits.

"On se demande depuis longtemps si des micropeignes à solitons peuvent être générées sur une puce d'une puissance laser inférieure à 100 mW, ce qui a été réalisé avec les lasers intégrés les plus modernes sur silicium. Aujourd'hui, nous apportons notre solution à cette question ", a déclaré le professeur Kippenberg, directeur du Laboratoire de photonique et de mesures quantiques (LPQM) de l'EPFL, qui a conduit l'équipe à franchir une telle étape importante. "Il nous a fallu beaucoup de temps pour relever le défi de la réduction du budget d'énergie pour la génération de microcombinés à solitons ", a-t-il ajouté, " grâce à cette technologie, il est maintenant possible d'étudier un grand nombre de nouvelles propriétés physiques et d'applications ". 

"Pour réduire la perte de propagation de la lumière dans les guides d'ondes SiN, le procédé de fabrication doit atteindre un niveau où la précision de contrôle de la géométrie des guides d'ondes est de l'ordre du nanomètre ", explique Junqiuu Liu, le premier auteur de cette publication, qui a développé et fabriqué les puces SiN. "Nous avons passé beaucoup de temps à trouver la solution. Grâce au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi), la salle blanche de l'EPFL, nous sommes en mesure de développer un procédé de fabrication qui permet une telle précision nanométrique des guides d'ondes, " ajoute-t-il. 

Avec la puce microphotonique SiN, qui n'est que de 0,5 mm x 0,5 mm, l'équipe LPQM a fait la démonstration d'une génération de micropeignes à solitons avec une puissance laser de seulement 10 mW et un train d'impulsions cohérentes avec une fréquence de répétition inférieure à 100 GHz. "A l'avenir, pour construire votre propre peigne de fréquence, tout ce dont vous avez besoin est un pointeur laser et une puce SiN. C'est tout ", dit Junqiu Liu. Avec un système d'un si petit volume et d'une grande efficacité énergétique, il est possible de réaliser de nouvelles applications à l'aide de micropeignes.

Actuellement, l'équipe LPQM collabore avec ses collègues aux États-Unis et en Europe pour intégrer cette technique à la technologie de la photonique au silicium mature et pour construire des systèmes entièrement intégrés qui peuvent être utilisés dans les centres de données des télécommunications.