Quand le son agite la lumière

Les matériaux piezoélectriques peuvent convertir la tension électrique en mouvement mécanique et vice versa. Ils sont omniprésents dans les réseaux modernes de communication sans fil; songeons aux téléphones mobiles notamment. Aujourd’hui, les dispositifs piézoélectriques – y compris les filtres, transducteurs et oscillateurs – sont utilisés dans des milliards d’appareils pour la communication sans fil, le positionnement mondial, la navigation et les applications spatiales.

Dans un article publié dans Nature, une collaboration dirigée par le professeur Tobias J. Kippenberg à l’EPFL et le professeur Sunil A. Bhave à l’Université Purdue a combiné la technologie piezoélectrique au nitrure d’aluminium (AlN) – utilisée dans les filtres radiofréquences des téléphones mobiles modernes – avec une photonique intégrée à très faible perte à base de nitrure de silicium (Si₃N₄), démontrant un nouveau procédé de modulation acousto-optique «on-chip».

Le circuit hybride permet l’actionnement à large bande sur des guides d’ondes photoniques à l’aide d’un courant électrique ultra faible, chose qui était considérée compliquée jusqu’à présent. Le circuit proprement dit a été produit en utilisant des procédés de fonderie compatibles CMOS, lesquels sont employés à grande échelle dans la fabrication de microprocesseurs, de microcontrôleurs, de puces mémoires et d’autres circuits logiques numériques.

Son et lumière

Pour fabriquer le circuit, les scientifiques ont utilisé du Si₃N₄, un composé qui s’est imposé comme le matériau de référence pour les peignes de fréquences optiques basés sur résonateur à échelle de puce («micropeignes»). Les micropeignes sont utilisés dans toute une série d’applications de haute précision, notamment pour la communication cohérente, la calibration de spectromètres astronomiques, la télémétrie ultrarapide, la synthèse micro-ondes à faible bruit, les horloges atomiques optiques et, plus récemment, le lidar à détection cohérente parallèle.

Les chercheurs ont fabriqué des actionneurs AIN piezoélectriques en plus des circuits photoniques Si₃N₄ à très faible perte et leur ont appliqué un signal de tension. Le signal a induit électromécaniquement des ondes acoustiques de volume capables de moduler le micropeigne généré dans les circuits Si₃N₄. En bref, le son agite la lumière.

Image microscopique montrant les actionneurs piezoélectriques couvrant les circuits photoniques au nitrure de silicium (crédit: Junqiu Liu, Rui Ning Wang)

Un élément clé de ce procédé est qu’il maintient la très faible perte des circuits Si₃N₄. Cette réalisation est une nouvelle étape cruciale dans la technologie des micropeignes et combine la photonique intégrée, l’ingénierie des systèmes microélectromécaniques et l’optique non linéaire», indique Junqiu Liu, en charge de la fabrication des puces photoniques Si₃N₄ au Centre de micro/nanotechnologie (CMi) de l’EPFL. «En maîtrisant les interactions piezoélectriques et acousto-optiques de masse, elle permet la modulation optique «on-chip» à une vitesse sans précédent et avec une consommation de courant ultra faible.»

Deux nouvelles applications

En utilisant le nouveau système hybride, les chercheurs ont fait la démonstration de deux applications indépendantes: premièrement, l’optimisation d’un lidar à détection cohérente massivement parallèle basé sur micropeigne, à la lumière de leur travail antérieur également publié récemment dans Nature. Cette approche pourrait ouvrir la voie à a la mise au point de moteurs lidar «on-chip» commandés par des circuits électroniques CMOS.

Deuxièmement, ils ont fabriqué des isolateurs optiques sans aimant par modulation spatio-temporelle d’un microrésonateur Si₃N₄, qui ont fait l’objet d’une publication récente dans Nature Communications. «Le confinement vertical extrême des ondes acoustiques de volume prévient la diaphonie et permet le positionnement rapproché des actionneurs, chose difficile à réaliser dans des modulateurs PIN au silicium», déclare Hao Tian, qui a fabriqué les actionneurs piezoélectriques dans la salle blanche Scifres du Centre Birck de nanotechnologie de l’Université Purdue.

Cette nouvelle technologie pourrait donner une impulsion aux applications micropeignes dans des systèmes critiques, notamment dans l’espace, les centres informatiques et les horloges atomiques, ou encore dans des environnements extrêmes, comme les températures cryogéniques. «Des applications qui restent encore à inventer suivront dans de nombreuses communautés», affirme le professeur Kippenberg, qui ajoute: «Il a été démontré à maintes reprises que les systèmes hybrides peuvent offrir des avantages et des fonctionnalités qui vont au-delà de ce que l’on peut obtenir avec des composants individuels.»

«Récemment, j’ai lu un article dans le Scientific American qui m’a réellement interpelé», ajoute le professeur Bhave, qui poursuit: «Il est intitulé "Why Science is Better When its Multinational". Nous n’aurions pu obtenir ces résultats sans cette coopération interdisciplinaire et intercontinentale.»