Vers une conception accélérée des circuits optiques

Tout comme les circuits électroniques fonctionnent avec des charges électriques, les circuits optiques utilisent des pulsations de lumière, qui leur donnent un net avantage en termes de vitesse. Les technologies optiques font par conséquent l’objet d’une recherche intense, dont l’objectif est de développer des systèmes novateurs capables de contrôler le flux de lumière à l’échelle du nanomètre. Or, des scientifiques de l’EPFL ont conçu une nouvelle méthode susceptible de générer une classe très répandue de systèmes optiques avec une efficacité inédite. Leurs designs ont été fabriqués aux Etats-Unis, à l’Université de Rochester, puis testés avec succès en Italie, à l’Université de Pavie. Deux articles publiés dans Applied Physics Letters et Scientific Reports montrent que le résultat de cette collaboration va doper le développement des circuits optiques de façon substantielle.

Avant d’utiliser la lumière pour encoder l’information des futurs systèmes de communication, il faut réguler son flux et la retenir ne serait-ce qu’une fraction de seconde afin d’éviter des « embouteillages » de signal. Pour ce faire, on utilise des nanocavités optiques, soit des arrangements de miroirs qui obligent la lumière à rebondir de l’un à l’autre et peuvent donc la retenir dans un espace confiné. Largement utilisées dans les lasers et systèmes optiques, elles sont faites de divers matériaux, dont le silicium. Les nanocavités optiques sont également adaptées pour construire des circuits optiques qui contrôlent le flux de lumière comme les transistors conventionnels régulent le flux d’électrons. Les circuits optiques peuvent donc être intégrés avec des circuits électroniques dans des structures extrêmement compactes afin d’accroître la performance des technologies d’information et communication.

Les nanocavités optiques les plus prometteuses sont construites à l’intérieur de structures appelées « cristaux photoniques », dont elles tirent leur nom (PCN - nanocavités à cristaux photoniques). Les PCN fonctionnent comme les composants d’un circuit électronique, sauf qu’elles contrôlent un flux de lumière et non d’électrons. Au vu de leur géométrie complexe, l’optimisation des PCN est un défi qui nécessite de longues simulations informatiques de centaines de designs possibles, dont le meilleur est sélectionné pour être nanofabriqué.

L’équipe de Vincenzo Savona, de l’EPFL, a développé une technique innovante pour concevoir, simuler et optimiser les PCN. Elle l’a appliquée à l’un des types de PCN les plus courants, largement utilisé dans les circuits optiques. L’objectif était de maximiser le « facteur de qualité PCN », un terme qui renvoie à la durée pendant laquelle la nanocavité peut capter un photon avant qu’il ne s’échappe. « Dans l’idéal, il faut confiner la lumière aussi longtemps que faire se peut à l’intérieur d’un volume aussi restreint que possible », déclare Savona. « Les nanocavités que nous optimisons sont plus petites que la longueur d’onde optique elle-même (env. 1 micromètre) et ont un facteur de qualité supérieur à 1 million - un photon peut aller et venir dans la nanocavité plus d’un million de fois avant de s’en échapper. »

Les scientifiques ont perfectionné un algorithme de modélisation informatique capable de simuler une seule structure PCN en quelques minutes – soit bien plus vite que les heures nécessaires aux outils présents sur le marché. Comme l’optimisation des nanocavités à cristaux photoniques requiert la simulation de milliers de structures différentes, cette nouvelle approche offre des avantages considérables en termes de temps et d’efficacité.

Processus « évolutionnaire »

Cet algorithme rapide a ensuite été combiné avec un outil logiciel d’optimisation considéré comme « génétique » ou « évolutionnaire », car il utilise une forme de « sélection naturelle » pour choisir les meilleures structures de nanocavités. Ce processus commence par considérer chaque structure PCN comme un individu d’une population, ou un animal d’une horde. Puis ces individus « se reproduisent » entre eux : deux structures PCN se combinent pour en créer une nouvelle, qui est un croisement de ses deux parents.

Au fil des générations de PCN, l’algorithme de Savona simule rapidement leurs structures, et le logiciel évolutionnaire sélectionne les meilleurs individus – dans ce cas, ceux qui ont montré la meilleure « adéquation » à la qualité désirée, comme la durée de vie d’un photon ou sa fréquence. Tout ce processus automatisé implique le plus souvent des centaines de générations, chacune incluant cent individus. « La rapidité de notre méthode permet à l’optimisation de ne durer que quelques jours sur un ordinateur », explique Savona.

Les meilleurs designs de PCN ont été transmis à un laboratoire américain pour être nanofabriqués sur une plateforme de silicium. Les PCN ont été ensuite envoyées à un autre laboratoire en Italie, où elles ont été testées avec succès. « Au final, nous avons multiplié par 10 à 20 la durée de vie des photons confinés dans les designs des nanocavités à cristaux photoniques les plus communes », ajoute Savona. Ces systèmes bénéficient de facteurs de qualité parmi les plus élevés jamais mesurés chez des PCN, un résultat qui va avoir un impact important sur le futur développement des circuits photoniques intégrés.

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Ce travail est issu d’une étude plus large impliquant le Laboratoire de physique théorique des nanosystèmes de l’EPFL et l’équipe du Professeur Romuald Houdré du Laboratoire d’optoélectronique quantique de l’EPFL, le Département de physique et d’astronomie de l’Université de Rochester et le Département de physique de l’Université de Pavie. L’idée originale et sa démonstration théorique ont été publiées simultanément dans Scientific Reports (auteurs Vincenzo Savona et son doctorant Momchil Minkov). L’article du journal Applied Physics Letters décrit leur première application pratique dans un système.

Sources

Lai Y, Pirotta S, Urbinati G, Gerace D, Minkov M, Savona V, Badolato A, Galli M. Genetically designed L3 photonic crystal nanocavities with measured quality factor exceeding one million. Applied Physics Letters 104, 241101 (2014); DOI: 10.1063/1.4882860

Minkov M, Savona V. Automated optimization of photonic crystal slab cavities. Scientific Reports 4, 5124; DOI: 10.1038/srep05124