Une puce photonique-térahertz pour les communications et la détection

Le rayonnement térahertz décrit une bande d’ondes sur le spectre électromagnétique dont les fréquences sont supérieures aux micro-ondes (utilisées dans les technologies de télécommunications comme le Wi-Fi) mais inférieures à la lumière infrarouge (utilisée dans les lasers et les fibres optiques). Leurs courtes longueurs d’onde signifient que les signaux térahertz (THz) peuvent transmettre de grandes quantités de données très rapidement, mais connecter le rayonnement THz aux technologies optiques et micro-ondes existantes s’est avéré extrêmement difficile.

En 2023, des scientifiques du Laboratoire de photonique hybride ont fait un pas de plus pour combler ce fossé. Ils ont créé une puce photonique extrêmement fine en niobate de lithium qui produit des ondes THz finement ajustables lorsqu’elle est connectée à un faisceau laser. Aujourd’hui, l’équipe a présenté une nouvelle conception qui non seulement génère des ondes THz, mais détecte également les ondes entrantes en les convertissant en signaux optiques.

Cette conversion bidirectionnelle sur une seule plate-forme miniaturisée est une étape essentielle pour combler les lacunes dans les domaines THz et optique, et pourrait permettre le développement de dispositifs compacts et économes en énergie pour la communication, la détection, la spectroscopie et l’informatique. Cette recherche a été publiée dans Nature Communications.

«En plus de démontrer la première détection d’impulsions THz sur une puce de circuit photonique au niobate de lithium, nous avons généré des champs électriques THz plus de 100 fois plus puissants et avons multiplié la largeur de bande par cinq (passant de 680 GHz à 3,5 THz)», explique Cristina Benea-Chelmus, responsable du Laboratoire de photonique hybride.

Du radar térahertz aux communications 6 G

Yazan Lampert, doctorant et principal auteur, explique que la conception innovante de l’équipe porte sur l’intégration de structures de la taille d’un micron appelées lignes de transmission dans leur puce photonique en niobate de lithium. Ces lignes agissent comme des câbles radio à l’échelle d’une puce pour guider les ondes THz le long de la puce. En plaçant une deuxième structure à proximité pour guider les ondes optiques (lumineuses), les scientifiques ont amélioré l’interaction et la conversion entre les deux avec une perte d’énergie minimale.

Nous pensons que les directives de conception que nous proposons deviendront cruciales dans les futures applications térahertz telles que les communications 6 G à haut débit, où la détection et la télémétrie seront des composantes essentielles du réseau de communication

«Nous pouvons contrôler les impulsions optiques et THz sur la même plateforme simplement grâce à notre conception de circuit miniaturisée. Notre approche combine des circuits photoniques et des circuits THz sur un seul appareil avec une bande passante sans précédent», déclare Yazan Lampert.

Les signaux THz à large bande générés par le dispositif hybride pourraient être utilisés notamment pour développer un radar à térahertz, dans lequel des impulsions THz extrêmement courtes pourraient servir à estimer la distance (télémétrie) d’un objet avec une précision d’un millimètre. Grâce à sa conception compacte et économe en énergie, la puce est également compatible avec les technologies photoniques existantes telles que les lasers, les modulateurs de lumière et les détecteurs. L’équipe travaille déjà à la miniaturisation complète de la conception de la puce pour permettre une intégration transparente dans la prochaine génération de systèmes de communication et de télémétrie, tels que ceux utilisés dans les voitures autonomes.

Amirhassan Shams-Ansari, co-premier auteur de ce travail et actuellement ingénieur principal en lasers chez DRS Daylight Solutions (anciennement chercheur postdoctoral à l’Université Harvard), déclare : « Le niobate de lithium en couche mince s’est révélé être une plateforme puissante pour la photonique intégrée, ouvrant la voie à une nouvelle génération d’applications et de dispositifs. C’est véritablement enthousiasmant de voir cette technologie progresser dans le domaine térahertz, à la fois très prometteur et encore peu exploré. »

«Nous pensons que les directives de conception que nous proposons deviendront cruciales dans les futures applications térahertz telles que les communications 6 G à haut débit, où la détection et la télémétrie seront des composantes essentielles du réseau de communication», précise Cristina Benea-Chelmus.