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Caltech scientists have developed a way to guide light on silicon wafers with low signal loss approaching that of o

Les scientifiques du Caltech ont mis au point un moyen de guider la lumière sur des plaquettes de silicium avec une faible perte de signal, proche de celle de la fibre optique à des longueurs d'onde visibles. Cette avancée ouvre la voie à une nouvelle génération de circuits intégrés photoniques (PIC) ultra-cohérents et efficaces, qui auront un impact profond sur diverses applications sur puce, notamment les mesures de précision, telles que les horloges optiques pour la synchronisation et les gyroscopes pour la rotation, ainsi que les communications des centres de données IA et même l'informatique quantique. (Crédit : Vahala Lab/Caltech)

Étendre les performances à perte ultrabasse des fibres optiques aux puces photoniques

par La rédaction
13 février 2026
en Optique, Technologie

Des scientifiques du Caltech ont développé une méthode pour guider la lumière sur des plaquettes de silicium avec une perte de signal très faible, approchant celle des fibres optiques aux longueurs d’onde visibles. Cette réalisation ouvre la voie à une nouvelle génération de circuits photoniques intégrés (PIC) ultra-cohérents et efficaces, qui auront un impact profond dans une variété d’applications sur puce, y compris les mesures de précision, telles que les horloges optiques pour le chronométrage et les gyroscopes pour la rotation, ainsi que les communications dans les centres de données d’IA et même l’informatique quantique.

Même si nous en sommes largement inconscients, la fibre optique est tout autour de nous. C’est elle qui connecte notre monde numérique, nous permettant de communiquer et de partager des données presque instantanément, quelle que soit la distance. La fibre optique peut le faire, en grande partie, parce qu’elle est fabriquée en verre extrêmement pur et est soigneusement conçue pour être ultralisse ; lorsque la lumière entre à une extrémité d’une fibre, presque tout le signal continue jusqu’à l’autre extrémité sans être absorbé, diffusé ou autrement perdu. C’est ce que les chercheurs décrivent comme des performances à perte ultrabasse.

« Depuis des années, nous travaillons à transposer la fabrication par bobine de la fibre optique sur des plaquettes de silicium, tout en essayant de préserver la caractéristique de perte ultrabasse de la fibre », explique Kerry Vahala (BS ’80, PhD ’85), le professeur Ted et Ginger Jenkins en science et technologie de l’information et physique appliquée au Caltech. « Nous avons développé une méthode pour imprimer des circuits optiques, fabriqués à partir du même matériau que la fibre optique, directement sur les mêmes plaquettes de 8 et 12 pouces utilisées pour les puces informatiques. Ce virage vers des performances semblables à celles de la fibre, en particulier dans les bandes visibles, permettra de nouvelles technologies qui bénéficient d’une perte d’énergie du circuit négligeable. » 

Les scientifiques décrivent leur méthode dans un article récemment publié dans la revue Nature. Les auteurs principaux de l’article sont le postdoctorant du Caltech Hao-Jing Chen et l’étudiant diplômé Kellan Colburn (MS ’25), qui ont réalisé ce travail dans le laboratoire de Vahala. 

Pour fabriquer ses guides d’ondes (des chemins nanométriques sur puce qui canalisent la lumière), l’équipe adapte le germano-silicate, le même matériau de verre utilisé dans la fibre optique, via un procédé de fabrication basé sur la lithographie. Les guides d’ondes sont disposés selon une géométrie en spirale pour étendre leur longueur de parcours optique, analogue à l’enroulement de la lumière autour d’une bobine de fibre mais avec une empreinte considérablement réduite grâce à la nanofabrication. « Les guides d’ondes en germano-silicate présentent une perte extrêmement faible et sont aussi facilement adaptables pour transférer efficacement la lumière entre les fibres optiques et les lasers à semi-conducteurs, ce qui est d’une importance primordiale pour réduire le coût énergétique global de l’infrastructure des serveurs », déclare Henry Blauvelt (PhD ’83), un collaborateur invité en physique appliquée et science des matériaux au Caltech ; directeur de la technologie chez Emcore, une entreprise spécialisée dans les circuits photoniques ; et un auteur de l’article récent.

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Les dispositifs fabriqués avec la nouvelle plateforme de l’équipe du Caltech ont déjà égalé, aux longueurs d’onde du proche infrarouge, les meilleurs dispositifs antérieurs fabriqués en nitrure de silicium, un matériau largement utilisé en optique en raison de ses faibles pertes pour la transmission de données. Fait important, le nouveau matériau surpasse significativement le nitrure de silicium aux longueurs d’onde visibles. « En raison de la température de fusion relativement basse du matériau, nous pouvons placer nos dispositifs dans un four pour « relâcher » la surface de nos guides d’ondes et obtenir une rugosité au niveau des atomes individuels, ce qui supprime en grande partie la sévère perte par diffusion qui a limité les PIC visibles conventionnels », explique Chen. « Aux longueurs d’onde visibles, notre plateforme récente dépasse le record du nitrure de silicium d’un facteur 20, et nous avons encore de la marge d’amélioration. »   

La perte a un impact dramatique sur les performances des dispositifs optiques. Par exemple, les dispositifs laser fabriqués en utilisant la nouvelle plateforme montrent une amélioration de plus de 100 fois par rapport aux précédents en termes de durée de cohérence de la lumière. 

« La couverture étendue en longueurs d’onde que notre méthode offre soutiendra de nombreuses opérations atomiques importantes, rendant possibles les capteurs atomiques à l’échelle de la puce, les horloges optiques et les systèmes de piégeage d’ions », souligne Chen. 

Colburn reconnaît que cela peut sembler au premier abord « un peu ridicule » que les chercheurs visent des pertes qui peuvent être décrites par des pourcentages sur des kilomètres. « Après tout, nos puces ne mesurent que 2 centimètres de large. Mais, en réalité, il y a beaucoup d’applications où cela serait très puissant », affirme-t-il. Par exemple, pensez au résonateur en anneau, un dispositif optique fondamental largement utilisé à la fois en science fondamentale et en transmission de données. Dans les résonateurs en anneau, la lumière entre à un point et est injectée dans un anneau où elle continue de se propager pendant longtemps, un processus qui renforce de manière résonante la lumière à quelques fréquences. Même si l’anneau n’est qu’à l’échelle du millimètre, le chemin effectif que la lumière parcourt dans un tel résonateur est déterminé par la perte des guides d’ondes. « C’est là que la faible perte sur des mètres, ou finalement des kilomètres, compte vraiment », déclare Colburn. « Plus la lumière peut circuler longtemps, plus les performances des dispositifs résultants peuvent être élevées. » Pour les lasers qui utilisent ces résonateurs pour améliorer la cohérence, chaque facteur de réduction de la perte de 10 se traduit par une amélioration d’un facteur 100 de la cohérence. 

Plus généralement, la capacité à concevoir des guides d’ondes à perte ultrabasse dans les bandes visibles a de nombreuses applications. « Une des raisons pour lesquelles cela est si attractif est qu’il a une qualité de couteau suisse – il peut être appliqué dans un large éventail de contextes », indique Vahala. Pour illustrer ce point, l’équipe du Caltech décrit dans l’article plusieurs dispositifs optiques qu’ils ont construits avec le nouveau matériau. Cela comprend des résonateurs en anneau, différents types de lasers et des résonateurs non linéaires qui génèrent une gamme de fréquences.

Et l’équipe ne fait que commencer, révèle Vahala. « Nous ne sommes pas allés aussi loin que nous le voulions, mais nous avons fait des progrès significatifs au cours des cinq dernières années, et c’est ce que nous rapportons ici », explique-t-il. 

Article : Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude

Source : Caltech

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Tags: circuitfibrepertesilicon
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Caltech scientists have developed a way to guide light on silicon wafers with low signal loss approaching that of optical fiber at visible wavelengths. This accomplishment paves the way for a new generation of ultra-coherent and efficient photonic integrated circuits (PICs), which will have a profound impact in a variety of on-chip applications including precision measurements, such as optical clocks for timing and gyroscopes for rotation as well as AI data-center communications and even quantum computing.

 

Even if we are largely unaware of it, optical fiber is all around us. It is what connects our digital world, enabling us to communicate and share data nearly instantaneously regardless of distance. Optical fiber can do this, in large part, because it is made from extremely pure glass and is carefully engineered to be ultrasmooth; when light enters at one end of a fiber, nearly the entire signal continues to the other end without being absorbed, scattered, or otherwise lost. This is what researchers describe as ultralow-loss performance.

 

"For years, we have been working to translate the spool-based fabrication of optical fiber onto silicon wafers, while trying to preserve the fiber's hallmark of ultralow loss," says Kerry Vahala (BS '80, PhD '85), the Ted and Ginger Jenkins Professor of Information Science and Technology and Applied Physics at Caltech. "We have developed a method to print optical circuits, made from the same material as optical fiber, directly onto the same 8- and 12-inch wafers used for computer chips. This shift toward fiber-like performance, especially in the visible bands, will enable new technologies that benefit from negligibly low circuit energy loss."

 

The scientists describe their method in a paper recently published in the journal Nature. The lead authors of the paper are Caltech postdoctoral scholar Hao-Jing Chen and graduate student Kellan Colburn (MS '25), who completed the work in Vahala's lab.

 

To make its waveguides (nanoscale on-chip pathways that channel light), the team adapts germano-silicate, the same glass material used in optical fiber, through a lithography-based manufacturing process. The waveguides are laid out in a spiral geometry to extend their optical path length, analogous to winding light around a fiber spool but with a significantly smaller footprint enabled by nanofabrication. "Germano-silicate waveguides demonstrate extremely low loss and are also readily adaptable to efficiently transfer light between optical fibers and semiconductor lasers, which is of paramount importance in reducing the overall energy cost of server infrastructure," says Henry Blauvelt (PhD '83), a visiting associate in applied physics and material science at Caltech; chief technology officer at Emcore, a company specializing in photonic circuits; and an author of the recent paper.

 

Devices made with the Caltech team's new platform have already matched, at near-infrared wavelengths, previous top-performing devices made from silicon nitride, a material widely used in optics because of its low-loss performance for transmitting data. Importantly, the new material significantly outperforms silicon nitride at visible wavelengths. "Due to the comparatively low melting temperature of the material, we can put our devices into a furnace to 'reflow' the surface of our waveguides to get their smoothness down to the level of individual atoms, which largely suppresses the severe scattering loss that has limited conventional visible PICs," Chen says. "At visible wavelengths, our recent platform exceeds silicon nitride's record by a factor of 20, and we have more room to improve."  

 

Loss dramatically impacts optical device performance. For example, laser devices fabricated using the new platform exhibit more than a 100-fold improvement relative to predecessors in terms of how long light remains coherent.

 

"The expanded wavelength coverage our method offers will support many important atomic operations, making chip-scale atomic sensors, optical clocks, and ion-trap systems possible," Chen says.

 

Colburn acknowledges that it might at first seem "a little ridiculous" that the researchers are aiming for losses that can be described by percentages over kilometers. "After all, our chips are only 2 centimeters across. But, in reality, there are a lot of applications where this would be very powerful," he says. For example, think of the ring resonator, a fundamental optical device widely used in both fundamental science and data transmission. In ring resonators, light enters at one point and gets fed into a ring where it continues to propagate for a long time, a process that resonantly enhances the light at a few frequencies. Even though the ring is just millimeters in scale, the effective path that light traces in such a resonator is determined by the loss of the waveguides. "That's where low loss over meters, or ultimately kilometers, really matters," Colburn says. "The longer light can circulate, the higher the performance of resulting devices can be." For lasers that use these resonators to improve coherence, every factor of 10 reduction in loss translates to a factor of 100 improvement in coherence.

 

More generally, the ability to engineer ultralow-loss waveguides in the visible bands has many applications. "One of the reasons this is so compelling is that it has a Swiss Army–knife quality—it can be applied in a wide range of settings," Vahala says. To illustrate this point, the Caltech team describes in the paper several optical devices they built with the new material. This includes ring resonators, different types of lasers, and nonlinear resonators that generate a range of frequencies.

And the team is just getting started, Vahala says. "We haven't gone as far as we want to go, but we've made significant progress over the last five years, and that's what we're reporting on here," he says.

 

The paper is titled "Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared": https://www.nature.com/articles/s41586-025-09889-w.  Additional Caltech authors are graduate students Peng Liu (MS '24), Hongrui Yan, Jinhao Ge (MS '24), Jin-Yu Liu (MS '24), and Phineas Lehan; former graduate student Qing-Xin Ji (PhD '25); former postdoctoral scholar Zhiquan Yuan (PhD '24); and Hanfei Hou who participated in the research as part of the Summer Undergraduate Research Fellowship program. Dirk Bouwmeester of UC Santa Barbara and Leiden University in the Netherlands and Christopher Holmes and James Gates of the University of Southampton in the United Kingdom are also authors. The work was funded by grants from the Defense Advanced Research Projects Agency, the Air Force Research Laboratory, the Engineering and Physical Sciences Research Council, and the Kavli Nanoscience Institute at Caltech.

Journal

Nature

DOI

10.1038/s41586-025-09889-w

Article Title

Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared

Article Publication Date

7-Jan-2026

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