Des chercheurs américains ont intégré pour la première fois des lasers à très faible bruit et des guides d'ondes photoniques sur une seule puce. Cette réalisation longtemps recherchée pourrait permettre d'effectuer des expériences de haute précision avec des horloges atomiques et d'autres technologies quantiques au sein d'un seul dispositif intégré, éliminant ainsi le besoin de tables optiques de la taille d'une pièce dans certaines applications.

Lorsque l'électronique en était à ses balbutiements, les chercheurs travaillaient avec des diodes, des transistors, etc. en tant qu'appareils autonomes. Le véritable potentiel de la technologie n'a été réalisé qu'après 1959, lorsque l'invention du circuit intégré a permis de regrouper tous ces composants sur une puce. Les chercheurs en photonique aimeraient réaliser une prouesse d'intégration similaire, mais ils sont confrontés à un obstacle : « Pour une liaison photonique, nous devons utiliser une source de lumière, qui est normalement un laser, comme émetteur pour envoyer le signal aux liaisons optiques en aval comme les fibres ou les guides d'ondes », explique Chao Xiang, qui a dirigé la recherche en tant que post-doctorant en John Bowers' groupe à l'Université de Californie, Santa Barbara. "Mais lorsque vous envoyez la lumière, elle génère normalement une rétro-réflexion : cela retourne dans le laser et le rend très instable."

Pour éviter de telles réflexions, les chercheurs insèrent généralement des isolateurs. Ceux-ci permettent à la lumière de passer dans une seule direction, brisant la réciprocité naturelle dans les deux sens de la propagation de la lumière. La difficulté est que les isolateurs standard de l'industrie accomplissent cela en utilisant un champ magnétique, ce qui pose des problèmes aux installations de fabrication de puces. "Les usines CMOS ont des exigences très strictes concernant ce qu'elles peuvent avoir dans la salle blanche", explique Xiang, qui travaille maintenant à l'Université de Hong Kong. "Les matériaux magnétiques ne sont normalement pas autorisés."

Intégré, mais séparé

Étant donné que les températures élevées requises pour le recuit des guides d'ondes peuvent endommager d'autres composants, Xiang, Bowers et leurs collègues ont commencé par fabriquer des guides d'ondes en nitrure de silicium à très faible perte sur un substrat de silicium. Ils ont ensuite recouvert les guides d'ondes de plusieurs couches de matériaux à base de silicium et monté un laser au phosphate d'indium à faible bruit au sommet de la pile. S'ils avaient monté le laser et le guide d'ondes ensemble, la gravure impliquée dans la fabrication du laser aurait endommagé les guides d'ondes, mais la liaison des couches suivantes sur le dessus a évité ce problème.

Séparer le laser et les guides d'ondes signifiait également que la seule façon dont les deux appareils pouvaient interagir était de se coupler à travers une "couche de redistribution" intermédiaire en nitrure de silicium via leurs champs évanescents (les composants d'un champ électromagnétique qui ne se propagent pas mais se désintègrent de manière exponentielle loin de une source). La distance entre eux minimisait ainsi les interférences indésirables. « Le laser du haut et le guide d'ondes à ultra-faible perte du bas sont très éloignés », explique Xiang, « afin qu'ils puissent tous les deux avoir les meilleures performances possibles par eux-mêmes. Le contrôle de la couche de redistribution en nitrure de silicium permet de les coupler exactement là où vous le souhaitez. Sans cela, ils ne s'accoupleraient pas.

Combiner les meilleurs appareils actifs et passifs

Les chercheurs ont montré que cette configuration laser était robuste au bruit aux niveaux attendus dans les expériences standard. Ils ont également démontré l'utilité de leur dispositif en produisant un générateur de fréquence hyperfréquence accordable en ajustant la fréquence de battement entre deux de ces lasers - ce qui n'était pas pratique auparavant sur un circuit intégré.

Compte tenu de l'énorme gamme d'applications des lasers à très faible bruit dans la technologie moderne, l'équipe affirme que pouvoir utiliser de tels lasers dans la photonique intégrée au silicium est un grand pas en avant. "Enfin, sur la même puce, nous pouvons avoir les meilleurs dispositifs actifs et les meilleurs dispositifs passifs ensemble", déclare Xiang. "Pour la prochaine étape, nous allons utiliser ces lasers à très faible bruit pour permettre des fonctionnalités optiques très complexes comme, par exemple, la métrologie de précision et la détection."

Les métasurfaces à ondes de fuite connectent les guides d'ondes à l'optique en espace libre

Scott Diddams, un physicien optique à l'Université du Colorado, Boulder, États-Unis, qui n'a pas participé à la recherche, est impressionné : « Ce problème de lasers intégrés avec isolateurs optiques est le fléau de la communauté depuis au moins une décennie et personne n'avait savait comment résoudre le problème de la fabrication d'un laser sur puce à très faible bruit… c'est donc une véritable avancée », déclare-t-il. "Des gens comme John Bowers travaillaient dans ce domaine depuis 20 ans, et connaissaient donc les éléments de base, mais trouver comment les faire fonctionner parfaitement ensemble n'est pas seulement comme assembler des pièces."

Diddams ajoute que le nouveau dispositif intégré sera probablement "très impactant" en informatique quantique. "Des entreprises sérieuses essaient de construire des plates-formes qui impliquent des atomes et des ions - ces atomes et ions fonctionnent à des couleurs très spécifiques, et nous leur parlons avec une lumière laser", explique-t-il. "Il n'y a tout simplement aucun moyen de construire un ordinateur quantique fonctionnel à grande échelle sans photonique intégrée comme celle-ci."

La recherche est publiée dans Nature.

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• La source: https://physicsworld.com/a/all-in-one-chip-combines-laser-and-photonic-waveguide-for-the-first-time/