Piloter le son par la lumière : un changement de donne pour la photonique intégrée

K.W. Wesselink – Schram MSc (Kees)

En ajoutant un moyen sonore de contrôler la lumière à la panoplie des puces à base de lumière, les chercheurs de l’université de Twente ont repoussé les limites de cette technologie. Cela ouvre la possibilité de fabriquer des horloges atomiques suffisamment petites pour être intégrées dans les satellites et les drones, afin de les aider à naviguer sans GPS.

Imaginez que vous deviez trouver votre chemin à l’aide d’une boussole et des étoiles et que l’on vous remette un GPS. C’est ce que David Marpaung et ses collègues viennent de faire pour les concepteurs de puces à base de lumière. En découvrant comment diriger la lumière avec le son, les chercheurs de l’UT ont mis à disposition un nouvel outil puissant pour élargir le champ d’application et les performances de cette technologie en plein essor qui dépasse rapidement son utilisation traditionnelle dans les communications optiques à faible puissance.

Détaillé dans le dernier numéro de Science Advances, Marpaung a essentiellement modelé la précision et la polyvalence d’un phénomène physique bien connu appelé diffusion brillouine stimulée (SBS) sous une forme prête pour la fabrication en série. Avec la SBS ajoutée à leur boîte à outils, les ingénieurs pourront incorporer dans leurs circuits photoniques des lasers à largeur de raie inférieure au hertz, des filtres ultra-sélectifs et bien d’autres composants aux performances inégalées.

Ces puces ne manqueront pas de faire parler d’elles. « La photonique Brillouin intégrée est un terrain très fertile, tant sur le plan scientifique que commercial, et nos travaux la font passer du laboratoire à la fabrique », indique M. Marpaung, en référence aux usines où sont fabriquées les puces, appelées fabs.

Électrons, photons et phonons

Pour l’industrie des télécommunications, la diffusion Brillouin est généralement une nuisance. Dans une fibre optique, l’interaction de la lumière avec le verre crée des changements périodiques dans la densité et l’indice de réfraction du support, dispersant la lumière et limitant la puissance qui peut être transférée d’un point à un autre.

Mais la diffusion Brillouin peut aussi être utilisée à bon escient. En contrôlant soigneusement la boucle de rétroaction positive entre les ondes lumineuses qui traversent un support et les ondes sonores (appelées phonons) qui sont générées dans le réseau cristallin du matériau à la suite de l’interaction avec la lumière, on obtient une nouvelle façon de transporter et de traiter l’information. « Après les électrons dans l’électronique et les photons dans la photonique intégrée, les interactions médiées par les phonons constituent un troisième moyen de façonner, de rediriger ou de traiter les signaux », ajoute M. Marpaung.

SBS n’était pas pratique – jusqu’à présent

Cependant, jusqu’à récemment, l’utilisation de SBS n’était pas pratique. « Il y a eu de nombreuses démonstrations de faisabilité, mais, pour diverses raisons, ces démonstrations se heurtent à des difficultés majeures en termes de déploiement pratique et d’évolutivité », explique pour sa part Kaixuan Ye, doctorant dans le groupe de Marpaung et premier auteur de l’article paru dans Science Advances.

Une propriété intrinsèque des ondes acoustiques a constitué un autre obstacle majeur. À l’instar des ondulations qui se propagent à la surface de la mer, les ondes acoustiques ont tendance à se propager dans toutes les directions, dispersant ainsi leur énergie. M. Marpaung, Ye et leurs collègues ont découvert que dans le niobate de lithium, un matériau optique, les ondes acoustiques peuvent être orientées en fonction de la direction de la lumière, ce qui permet de les apprivoiser pour les insérer dans la technologie photonique intégrée : le niobate de lithium en couche mince (TFLN) est une plateforme bien établie pour les puces à base de lumière.

La puissance du SBS

Pour donner un avant-goût des nouvelles fonctionnalités disponibles, le groupe de M. Marpaung a collaboré avec le groupe de recherche de Cheng Wang de la City University of Hong Kong. Ils ont fabriqué un amplificateur Brillouin et un laser sur puce dans la plateforme TFLN, deux composants clés de tout circuit intégré photonique. L’équipe a également créé un composant plus complexe, un processeur photonique multifonctionnel à micro-ondes de Brillouin capable de filtrer un signal entrant.

Ces démonstrations ouvrent la voie à des applications concrètes, que M. Marpaung a déjà commencé à explorer. « Le SBS peut réduire considérablement les dimensions des horloges atomiques, car il permet de miniaturiser les lasers ultraprécis et stables nécessaires à ces dispositifs. Les lasers à l’échelle de la puce permettront une intégration rentable des horloges atomiques dans les satellites et les véhicules aériens sans pilote (drones). Grâce à la précision de l’horloge embarquée, ces appareils n’auront plus besoin de recourir au GPS pour la navigation », précise-t-il.

« Nos travaux permettent également un filtrage ultra-précis des signaux indésirables. L’intégration avec des modulateurs à grande vitesse permettra d’améliorer les performances, de réduire la taille et de diminuer les coûts. Ces filtres peuvent être utilisés pour atténuer les interférences indésirables et le brouillage, ce qui est important pour les radios 6G et le GPS/navigation. »

Légende illustration : Représentation artistique du processus SBS « en action ».