Les lasers rouges sur puces de silicium révolutionnent les technologies quantiques et de détection

Des chercheurs américains ont, pour la première fois, démontré des lasers rouges visibles cultivés directement à l’intérieur d’une puce photonique en nitrure de silicium —un type de micropuce qui guide la lumière plutôt que l’électricité. Le nitrure de silicium est un matériau clé pour les technologies qui reposent sur la lumière, telles que l’informatique quantique, la biodétection et la réalité augmentée, mais il ne peut pas générer de lumière par lui-même.

Les matériaux fabriqués à partir d’éléments des colonnes III et V du tableau périodique —appelés composés III–V— sont largement utilisés pour fabriquer des lasers commerciaux, mais leurs structures cristallines et leurs exigences de traitement les rendent difficiles à intégrer aux matériaux à base de silicium tels que le nitrure de silicium.

“Le développement de cette plateforme a nécessité de relier les mondes de la croissance des matériaux III-V et de la photonique intégrée au nitrure de silicium”, a déclaré Yiteng Wang, auteur principal et candidat au doctorat en science et ingénierie des matériaux à l’Illinois. “C’était incroyablement gratifiant de voir comment des années de développement de processus et d’étroite collaboration avec le laboratoire Lincoln du MIT ont convergé vers un laser rouge fonctionnel développé directement à l’intérieur d’une puce photonique en nitrure de silicium.”

“Ce travail rapproche la photonique en lumière visible de l’évolutivité et de l’intégration obtenues par la photonique sur silicium dans l’infrarouge”, a ajouté Minjoo Larry Lee, professeur de génie électrique et informatique et directeur du laboratoire de micro et nanotechnologie Holonyak (HMNTL) à l’UIUC, qui a dirigé l’effort de l’Illinois.

Le projet collaboratif s’appuie sur des efforts considérables visant à atténuer les défauts de matériaux qui surviennent lors de la croissance des III–V sur des plates-formes photoniques à base de silicium. Les modèles photoniques en nitrure de silicium ont été fabriqués sur des plaquettes de silicium de 200 mm au laboratoire Lincoln du MIT et présentaient des microscopiques “poches” précisément définies pour la croissance de lasers à points quantiques au phosphure d’indium (InP) à l’UIUC. Les lasers III-V dotés de densités élevées de points quantiques à l’échelle nanométrique ont montré des performances et une fiabilité prometteuses, même en présence d’imperfections cristallines.

L’équipe développe actuellement des techniques de fabrication pour le couplage optique dans des guides d’ondes en nitrure de silicium, permettant de nouveaux types de systèmes photoniques visibles.

Le professeur Richard Mirin de l’Université de Californie à Santa Barbara, qui n’a pas participé à ces travaux, a déclaré : « Il s’agit d’un développement passionnant pour la photonique intégrée aux longueurs d’onde visibles. Bien qu’il y ait eu des travaux antérieurs importants sur les lasers à semi-conducteurs intégrés aux longueurs d’onde des télécommunications, ces nouveaux travaux montrent l’opportunité de lasers à longueur d’onde plus courte, qui sont particulièrement importants pour la détection et l’information quantiques”

Les travaux ont été principalement soutenus par le programme LUMOS de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), géré par Gordon Keeler et Anna Tauke-Pedretti, dans le cadre du projet “Heteroepitaxial III–V/SiNx Integrated Photonics (HIP)”. L’auteur principal Minjoo Larry Lee est affilié au Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux et membre de l’Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST).

Article : « Embedded growth of visible InP quantum dot lasers in silicon nitride photonic integrated circuits » – Journal: Optica, Vol. 12, No. 11 (November 2025)
Authors: Yiteng Wang, Christopher Heidelberger, Jason Plant, Dave Kharas, Pankul Dhingra, Robert Kaufman, Xizheng Fang, Brian Li, Ryan Hool, John Dallesasse, Paul Juodawlkis, Cheryl Sorace-Agaskar, and Minjoo Larry Lee – DOI: 10.1364/OPTICA.569454