Un nouveau circuit intégré photonique économique et très efficace

Le développement rapide des circuits intégrés photoniques (CIP), qui combinent plusieurs dispositifs et fonctionnalités optiques sur une seule puce, a révolutionné les communications optiques et les systèmes informatiques.

Pendant des décennies, les CIP à base de silicium ont été à la pointe du domaine en raison de leur rentabilité et de leur intégration dans les technologies de fabrication de semi-conducteurs existantes, malgré leurs limites en matière de largeur de bande de modulation électro-optique. Toutefois, des puces émettrices-réceptrices optiques en silicium sur isolant ont été commercialisées avec succès, assurant le trafic d’informations à travers des millions de fibres de verre dans les centres de données modernes.

Récemment, la plate-forme de plaquettes de niobate de lithium sur isolant est apparue comme un matériau supérieur pour les modulateurs électro-optiques à intégration photonique du fait de son coefficient de Pockels élevé, qui est essentiel pour la modulation optique à grande vitesse. Mais les coûts élevés et les exigences de production complexes n’ont pas permis d’adopter plus largement le niobate de lithium, limitant ainsi son intégration commerciale.

Le tantalate de lithium (LiTaO₃), composé proche du niobate de lithium, a le potentiel pour surmonter ces obstacles. Il affiche des qualités électro-optiques similaires, mais présente un avantage sur le niobate de lithium en termes d’évolutivité et de coût, puisqu’il est déjà largement utilisé dans les filtres radiofréquence 5G par les industries des télécommunications.

Des scientifiques sous la houlette du professeur Tobias J. Kippenberg de l’EPFL et du professeur Xin Ou du Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT) ont récemment créé une plateforme CIP à base de tantalate de lithium. Le CIP tire parti des avantages inhérents au matériau et peut transformer le domaine en rendant les CIP de haute qualité plus viables sur le plan économique. Cette avancée a été publiée dans la revue Nature.

Les chercheuses et chercheurs ont mis au point une méthode de collage de plaquettes pour le tantalate de lithium, qui est compatible avec les lignes de production de silicium sur isolant. Ils ont ensuite masqué la plaquette de tantalate de lithium en couche mince avec du carbone de type diamant et ont procédé à la gravure de guides d’ondes optiques, de modulateurs et de microrésonateurs à facteur de qualité ultra-élevé.

La gravure a été réalisée en combinant la photolithographie en UV profond et des techniques de gravure à sec, développées initialement pour le niobate de lithium, puis soigneusement adaptées à la gravure du tantalate de lithium, plus dur et plus inerte. Cette adaptation a consisté à optimiser les paramètres de gravure afin de réduire les pertes optiques, un facteur important pour obtenir des performances élevées dans les circuits photoniques.

Grâce à cette approche, l’équipe a pu fabriquer des CIP à base de tantalate de lithium très efficaces avec un taux de perte optique de seulement 5,6 dB/m à la longueur d’onde des télécommunications. Un autre point fort est le modulateur électro-optique Mach-Zehnder (MZM). Il s’agit d’un dispositif largement utilisé dans les communications actuelles par fibre optique à grande vitesse. Le MZM au tantalate de lithium offre un produit tension-longueur demi-onde de 1,9 V cm et une largeur de bande électro-optique de 40 GHz.

«Tout en maintenant des performances électro-optiques très efficaces, nous avons également généré des micropeignes à solitons sur cette plateforme», déclare Chengli Wang, principal auteur de l’étude. «Ces micropeignes à solitons présentent un grand nombre de fréquences cohérentes. Lorsqu’ils sont associés à des capacités de modulation électro-optique, ils sont particulièrement adaptés à des applications telles que le LiDAR cohérent parallèle et l’informatique photonique.»

La biréfringence réduite du CIP à base de tantalate de lithium (dépendance de l’indice de réfraction par rapport à la polarisation de la lumière et à la direction de propagation) permet des configurations de circuits denses et garantit de vastes capacités opérationnelles dans toutes les bandes de télécommunication. Ces travaux ouvrent la voie à la fabrication évolutive et rentable de CIP électro-optiques avancés.

Autre contributeur

• Centre pour les sciences et l’ingénierie quantiques de l’EPFL