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EPFL - De nouvelles fonctions optiques sur une puce
 
Le 31-10-2017
de EPFL

Des chercheurs de l’EPFL ont trouvé un moyen d’induire de nouvelles fonctionnalités optiques sur les puces photoniques existantes. A la clé : une reconfigurabilité toute optique ainsi que de meilleures performances.

Dans les dispositifs électroniques, les performances des puces sont limitées par la vitesse des électrons, ainsi que par la surchauffe due au courant, en cas d’activité trop intense. De nombreuses recherches visent donc à coupler sur une même puce des éléments électroniques et des éléments optiques, ou à fabriquer des dispositifs tout-optiques. L’idée : améliorer les vitesses, réduire la surchauffe et la consommation. Pour cela il est nécessaire d’intégrer des fonctionnalités toutes optiques sans compromettre la performance.

A l’EPFL, des chercheurs du Laboratoire de systèmes photoniques dirigé par Camille Brès, en collaboration avec le Laboratoire de photonique et mesures quantiques de Tobias Kippenberg, sont parvenus à intégrer des nouvelles fonctionnalités optiques sur une seule et même puce compatible avec le processus de fabrication CMOS. Le tout sans ajouter d’électrodes, mais simplement à l’aide de lumière. La recherche est publiée dans Nature Communications. Les applications envisagées concernent le traitement des données pour les fibres optiques et leur détection, la stabilisation de peignes de fréquences ou encore l’optique quantique sur puce.

Provoquer artificiellement un phénomène non-linéaire

La lumière est une alternative avantageuse, par rapport au courant électrique dans certaines applications en télécommunication ou sensingspectroscopie. Pour transmettre et recevoir des données ainsi qu’analyser des composants chimie, il faut contrôler, convertir et utiliser, la lumière dans un matériau qui la guide, et qui a des propriétés non-linéaires. Plus spécifiquement, de très nombreuses fonctionnalités optiques requièrent la présence de matériaux avec effets non-linéaires dits de second-ordre. Ces matériaux peuvent par exemple, au contact de la lumière doubler l’énergie de photons, et donc leur fréquence. Ce phénomène appelé génération de deuxième harmonique est crucial pour de nombreuses applications.

Seul hic, le silicium et ses composant, matériaux de base de la plupart des puces électroniques classiques existantes, c’est à dire avec compatibilité CMOS, est dénué de cette propriété, car centro-symétrique, et les matériaux appropriés sont difficiles à intégrer sur les puces.

Avec son équipe, Camille Brès a contourné cet obstacle. Les chercheurs sont parvenus à induire l’effet de non-linéarité recherché au sein même de guides d’ondes en nitrure de silicium, et augmenter jusqu’à 1000 fois l’efficacité de la seconde harmonique. «Nous avons utilisé un laser pour exciter les transitions électroniques du nitrure de silicium. En somme, nous avons brisé la symétrie du matériau», explique Camille Brès. «Une fois que le laser est injecté, la modification reste à l’intérieur de la guide d’onde, qui contient ainsi la non-linéarité que nous recherchons. Nous pouvons également changer la périodicité de cette non-linéarité sur demande, de telle sorte que la génération de seconde harmonique puisse se faire sur une large plage de fréquence sans avoir à modifier la puce», ajoute son collaborateur Davide Grassani, co-auteur de la publication.

Jusqu’ici, le fait de briser la symétrie des atomes pouvait être obtenu en ajoutant sur le guide d’onde des électrodes, compliquant le processus de fabrication, et changeant le matériau de manière fixe. La nouvelle technique des chercheurs constitue un procédé simple à réaliser, avec un élément de guide d’onde facilement modulable. Autre avantage non-négligeable, cette technique utilise un matériau– le nitrure de silicium – largement utilisé au cœur de l’industrie électronique, et compatible avec les technologies actuelles CMOS.

*Les puces utilisées ont toutes été fabriquées au CMi

"Large second harmonic generation enhancement in SiN waveguides by all-optically induced quasi phase matching", Adrien Billat, Davide Grassani, Martin H. P. Pfeiffer, Svyatoslav Kharitonov, Tobias J. Kippenberg, Camille-Sophie Brès

Auteur : Laure-Anne Pessina
Source : STI | Sciences et techniques de l'ingénieur

 



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