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

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.

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