Les lasers sur puce atteignent les performances de la fibre

Les lasers à fibre dopée à l'erbium sont largement considérés comme la référence en matière de sources lumineuses ultra-silencieuses et hautement stables utilisées dans les télécommunications, le LiDAR, la détection de précision et les technologies quantiques. Leurs performances découlent des propriétés uniques des ions erbium, qui offrent une longue durée de vie à l'état excité, un faible bruit et une forte stabilité thermique.

Cependant, ces lasers reposent généralement sur des fibres optiques encombrantes et un assemblage complexe, ce qui limite leur intégration dans des systèmes photoniques compacts.

Les chercheurs de l'EPFL, dirigés par Tobias J. Kippenberg, ont désormais franchi une étape importante vers la résolution de ce problème en intégrant des lasers à base d'erbium directement sur des puces photoniques en silicium. Leur approche consiste à implanter des ions erbium dans des guides d'ondes en nitrure de silicium (Si₃N₄) à très faible perte à l'aide d'un processus compatible avec les outils de fabrication de semi-conducteurs standard.

L'étude est publiée dans Nature Communications.

Les chercheurs ont notamment repensé la plateforme photonique en utilisant des guides d'ondes plus fins, d'une épaisseur de 200 nm. Cela a permis de réduire l'énergie nécessaire à l'implantation ionique d'environ 2 MeV à moins de 500 keV, ce qui a rendu possible le processus de fabrication sur des équipements industriels de 300 mm destinés aux semi-conducteurs. Ce changement permet une production à l'échelle de la plaquette tout en améliorant les performances des dispositifs.

Large gamme de réglage et puissance de sortie élevée

Les lasers à l'échelle d'une puce qui en résultent allient compacité et performances proches de celles des lasers à fibre dopée à l'erbium traditionnels.

Ces dispositifs atteignent une gamme de réglage record de 91 nm qui couvre la quasi-totalité des bandes C et L utilisées dans les communications optiques.

Ils fournissent également une puissance de sortie couplée à la fibre pouvant atteindre 47,6 mW et présentent une largeur de raie intrinsèque de seulement 78,5 Hz, une mesure de la pureté spectrale du laser. Ensemble, ces paramètres placent les dispositifs dans la même gamme de cohérence que les lasers à fibre dopée à l'erbium commerciaux, tout en offrant une large gamme de réglage sur une puce.

L'architecture intégrée prend également en charge une émission monomode stable sur toute la plage de réglage, grâce à une conception de cavité à filtre Vernier qui sélectionne la longueur d'onde laser sur la puce.

Fonctionnement stable dans des conditions exigeantes

Au-delà des performances, l'équipe de l'EPFL a démontré la robustesse requise pour les systèmes photoniques du monde réel.

Les lasers fonctionnent à des températures pouvant atteindre 125 °C, soit une plage supérieure à celle de nombreux lasers à semi-conducteurs. Des mesures à long terme ont également montré une dérive de fréquence inférieure à 15 MHz sur six heures, ce qui indique une grande stabilité pour les applications nécessitant des fréquences optiques précises.

Les dispositifs tolèrent également des réflexions optiques importantes sans perdre leur cohérence. Ces réflexions déstabilisent souvent les lasers intégrés conventionnels, ce qui pourrait simplifier la conception des futurs circuits photoniques.

« Ce résultat élimine l'un des derniers obstacles à l'intégration des performances des lasers à fibre optique sur une puce », explique Tobias J. Kippenberg. « Cela signifie que des lasers à terres rares à haute cohérence à l'échelle d'une plaquette peuvent désormais être fabriqués à l'aide d'outils semi-conducteurs standard. »

Vers des systèmes photoniques évolutifs

En combinant la fabrication à l'échelle d'une plaquette avec une puissance élevée, une largeur de raie ultra-étroite et une accordabilité à large bande, ces travaux établissent une plate-forme évolutive pour les circuits intégrés photoniques dopés aux terres rares.

Ces lasers intégrés pourraient permettre la fabrication en série de sources lumineuses à haute cohérence pour un large éventail de technologies, allant des communications optiques et des interconnexions de centres de données à la métrologie de précision, au LiDAR et aux systèmes quantiques émergents.

Autres contributeurs

• Institut de génie électrique et microtechnique de l'EPFL
• Varian Semiconductor (Applied Materials)