Des scientifiques de l’EPFL ont créé un amplificateur de guide d’ondes compact en réussissant à intégrer des ions de terres rares dans des circuits intégrés photoniques. Ce dispositif produit une puissance de sortie record par rapport aux amplificateurs à fibre du commerce, une première dans le développement de la photonique intégrée ces dernières décennies.
Les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium (EDFA) peuvent fournir un gain à la puissance du signal optique dans les fibres optiques, et sont souvent utilisés dans les câbles à fibres optiques pour les communications longue distance et les lasers à fibres. Inventés dans les années 1980, les EDFA sont sans aucun doute l’une des inventions les plus importantes. Ils ont profondément changé notre société de l’information en permettant l’acheminement des signaux outre-Atlantique et en remplaçant les répéteurs électriques.
Les ions erbium sont avantageux dans les communications optiques car ils peuvent amplifier la lumière dans la région de longueur d’onde de 1,55 mm, là où les fibres optiques à base de silice ont la plus faible perte de transmission. La structure électronique unique intra-4-f de l’erbium – et des ions de terres rares en général – permet des états excités durables lorsqu’ils sont dopés dans des matériaux hôtes comme le verre. Cela fournit un milieu actif idéal pour l’amplification simultanée de plusieurs canaux porteurs d’informations, avec une interférence négligeable, une grande stabilité thermique et un faible facteur de bruit.
L’amplification optique est également utilisée dans la quasi-totalité des applications laser, de la détection des fibres et de la métrologie des fréquences aux applications industrielles telles que l’usinage au laser et le LiDAR. Aujourd’hui, les amplificateurs optiques à base d’ions de terres rares sont devenus l’élément indispensable des peignes de fréquence optiques (Prix Nobel de physique de 2005), qui servent à créer les horloges atomiques les plus précises au monde.
L’amplification de la lumière avec des ions de terres rares dans un circuit intégré photonique peut transformer la photonique intégrée. Dans les années 1990 déjà, les Laboratoires Bell s’intéressaient aux amplificateurs de guide d’ondes dopé à l’erbium (EDWA), mais les ont finalement abandonnés car leur gain et leur puissance de sortie ne pouvaient pas égaler ceux des amplificateurs à fibre, et leur fabrication n’était pas adaptée aux techniques contemporaines d’intégration photonique.
Même avec l’essor récent de la photonique intégrée, les efforts renouvelés sur les EDWA n’ont permis d’atteindre qu’une puissance de sortie inférieure à 1 mW, ce qui est insuffisant pour de nombreuses applications pratiques. Les problèmes rencontrés étaient une perte de fond élevée dans le guide d’ondes, une forte conversion ascendante coopérative – un facteur limitant le gain à une concentration élevée d’erbium, ou le défi de longue date consistant à obtenir des longueurs de guide d’ondes de l’ordre du mètre dans des puces photoniques compactes.
Aujourd’hui, des chercheuses et chercheurs de l’EPFL, sous la houlette du professeur Tobias J. Kippenberg, ont créé un EDWA basé sur des circuits intégrés photoniques à nitrure de silicium (Si3N4) d’une longueur jusqu’à un demi-mètre et d’une empreinte à l’échelle du millimètre. Cela génère une puissance de sortie record de plus de 145 mW et offre un gain net à petit signal supérieur à 30 dB, ce qui se traduit par une amplification de plus de 1000 fois dans la bande des télécommunications en fonctionnement continu. Ces performances correspondent à celles des amplificateurs EDFA haut de gamme disponibles dans le commerce, ainsi qu’à celles des amplificateurs à semi-conducteurs III-V intégrés de façon hétérogène dans la photonique au silicium.
«Nous avons relevé ce vieux défi en appliquant l’implantation ionique – un procédé à l’échelle de la tranche qui bénéficie d’une très faible conversion ascendante coopérative, même à une concentration ionique très élevée – aux circuits intégrés photoniques de nitrure de silicium à très faibles pertes», déclare Yang Liu, chercheur au laboratoire de Tobias J. Kippenberg, et principal scientifique de l’étude.
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«Cette approche nous permet d’obtenir de faibles pertes, une concentration élevée d’erbium et un facteur de chevauchement mode-ion important dans des guides d’ondes compacts d’une longueur d’un mètre, ce qui n’avait jamais été résolu depuis des décennies», explique Zheru Qiu, doctorant et coauteur de l’étude.
«Le fonctionnement avec une puissance de sortie et un gain élevés n’est pas une simple réussite académique. C’est essentiel pour le fonctionnement pratique de tout amplificateur, car cela implique que tout signal d’entrée peut atteindre les niveaux de puissance suffisants pour la transmission de données à grande vitesse sur de longues distances et la détection limitée par le bruit quantique. Cela signifie également que les lasers femtosecondes à haute énergie d’impulsion sur une puce sont possibles grâce à cette approche», précise Tobias J. Kippenberg.
Cette avancée marque une renaissance des ions de terres rares en tant que supports de gain viables en photonique intégrée, car les applications des EDWA sont pratiquement illimitées, depuis les communications optiques et le LiDAR pour la conduite autonome jusqu’à la détection quantique et les mémoires pour les grands réseaux quantiques. Les travaux devraient aboutir à des études de suivi sur un plus grand nombre d’ions de terres rares, offrant un gain optique du visible à l’infrarouge moyen du spectre et une puissance de sortie encore plus élevée.
Auteurs: Yang Liu, Nik Papageorgiou
Financement
Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS)
Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)
Air Force Office of Scientific Research (AFOSR)
Horizon 2020
Références
Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, Anton Lukashchuk, Jijun He, Johann Riemensberger, Martin Hafermann, Rui Ning Wang, Junqiu Liu, Carsten Ronning, et Tobias J. Kippenberg. A photonic integrated circuit based erbium-doped amplifier. Science, 17 juin 2022. DOI: 10.1126/science.abo2631
