Le premier laser et micropeigne intégrés commercialement évolutifs sur une seule puce —

Depuis plusieurs années, le groupe Bowers collabore avec le groupe de Tobias J. Kippenberg à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), au sein du programme DODOS (Direct On-Chip Digital Optical Synthesizer) de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Le groupe Kippenberg a découvert des « micropeignes », une série de lignes laser parallèles, à faible bruit et très stables. Chacune des nombreuses lignes du peigne laser peut transporter des informations, multipliant considérablement la quantité de données pouvant être envoyées par un seul laser.

Récemment, plusieurs équipes ont fait la démonstration de peignes très compacts en plaçant très près l’une de l’autre une puce laser à semi-conducteur et une puce séparée de résonateur annulaire en nitrure de silicium. Cependant, le laser et le résonateur étaient encore des dispositifs séparés, fabriqués indépendamment puis placés à proximité l’un de l’autre parfaitement alignés, un processus coûteux et long qui n’est pas évolutif.

Le laboratoire Bowers a travaillé avec le laboratoire Kippenberg pour développer un laser à semi-conducteur intégré et un résonateur capable de produire un micropeigne laser. Un article intitulé “Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon”, publié dans le nouveau numéro de la revue La science, décrit le succès des laboratoires à devenir le premier à atteindre cet objectif.

Les micropeignes à solitons sont des peignes à fréquence optique qui émettent des lignes laser mutuellement cohérentes, c’est-à-dire des lignes qui sont en phase constante et invariable les unes par rapport aux autres. La technologie est appliquée dans les domaines de la synchronisation optique, de la métrologie et de la détection. Les récentes démonstrations sur le terrain comprennent les communications optiques à plusieurs térabits par seconde, la détection et la télémétrie ultrarapides de la lumière (LiDAR), l’informatique neuromorphique et l’étalonnage de spectromètres astrophysiques pour la recherche de planètes, pour n’en nommer que plusieurs. C’est un outil puissant qui nécessite normalement une puissance exceptionnellement élevée et des lasers coûteux et un couplage optique sophistiqué pour fonctionner.

Le principe de fonctionnement d’un micropeigne laser, a expliqué l’auteur principal Chao Xiang, chercheur postdoctoral et titulaire d’un doctorat nouvellement créé. dans le laboratoire de Bowers, c’est qu’un laser à rétroaction distribuée (DFB) produit une ligne laser. Cette ligne passe ensuite à travers un contrôleur de phase optique et pénètre dans le résonateur à micro-anneau, provoquant une augmentation de l’intensité de la puissance à mesure que la lumière se déplace autour de l’anneau. Si l’intensité atteint un certain seuil, des effets optiques non linéaires se produisent, faisant en sorte que la ligne laser crée deux lignes supplémentaires identiques de chaque côté. Chacune de ces deux “lignes latérales” en crée d’autres, conduisant à une cascade de génération de lignes laser. “Vous vous retrouvez avec une série de peignes de fréquence mutuellement cohérents”, a déclaré Xiang – et une capacité considérablement étendue de transmettre des données.

Cette recherche permet aux lasers à semi-conducteurs d’être intégrés de manière transparente avec des micro-résonateurs optiques non linéaires à faible perte – “à faible perte” car la lumière peut voyager dans le guide d’ondes sans perdre une quantité significative de son intensité sur la distance. Aucun couplage optique n’est nécessaire, et le dispositif est entièrement commandé électriquement. Il est important de noter que la nouvelle technologie se prête à une production à l’échelle commerciale, car des milliers de dispositifs peuvent être fabriqués à partir d’une seule plaquette en utilisant des techniques compatibles avec les semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS) standard de l’industrie. « Notre approche ouvre la voie à la fabrication en grand volume et à faible coût de peignes de fréquence à base de puces pour les émetteurs-récepteurs haute capacité de nouvelle génération, les centres de données, les plateformes spatiales et mobiles », ont déclaré les chercheurs.

Le principal défi dans la fabrication de l’appareil était que le laser à semi-conducteur et le résonateur, qui génère le peigne, devaient être construits sur des plates-formes matérielles différentes. Les lasers ne peuvent être fabriqués qu’avec des matériaux des groupes III et V du tableau périodique, tels que le phosphure d’indium, et les meilleurs peignes ne peuvent être fabriqués qu’à partir de nitrure de silicium. “Donc, nous avons dû trouver un moyen de les assembler sur une seule plaquette”, a expliqué Xiang.

Travaillant de manière séquentielle sur la même plaquette, les chercheurs ont tiré parti du processus d’intégration hétérogène de l’UCSB pour fabriquer des lasers haute performance sur substrat de silicium et de la capacité de leurs collaborateurs de l’EPFL à fabriquer des micro-résonateurs de nitrure de silicium à ultra-faible perte et à Q élevé en utilisant le « photonic processus de damasquinage” ils ont développé. Le processus à l’échelle d’une plaquette – contrairement à la fabrication de dispositifs individuels puis à leur combinaison un par un – permet de fabriquer des milliers de dispositifs à partir d’une seule plaquette de 100 mm de diamètre, un niveau de production qui peut être encore augmenté par rapport à la substrat standard de 200 mm ou 300 mm de diamètre.

Pour que le dispositif fonctionne correctement, le laser, le résonateur et la phase optique entre eux doivent être contrôlés pour créer un système couplé basé sur le phénomène de « verrouillage d’auto-injection ». Xiang a expliqué que la sortie laser est partiellement rétroréfléchie par le micro-résonateur. Lorsqu’une certaine condition de phase est atteinte entre la lumière du laser et la lumière rétroréfléchie du résonateur, le laser est dit verrouillé sur le résonateur.

Normalement, la lumière rétroréfléchie nuit aux performances du laser, mais ici, elle est cruciale pour générer le micropeigne. La lumière laser verrouillée déclenche la formation de solitons dans le résonateur et réduit en même temps le bruit de la lumière laser, ou l’instabilité de fréquence. Ainsi, quelque chose de nuisible se transforme en un avantage. En conséquence, l’équipe a pu créer non seulement le premier micropeigne à solitons laser intégré sur une seule puce, mais également les premières sources laser à largeur de raie étroite avec plusieurs canaux disponibles sur une seule puce.

« Le domaine de la génération de peignes optiques est très passionnant et évolue très rapidement. Il trouve des applications dans les horloges optiques, les réseaux optiques à haute capacité et de nombreuses applications spectroscopiques », a déclaré Bowers, titulaire de la chaire Fred Kavli en nanotechnologie et directeur du College of Institut d’ingénierie pour l’efficacité énergétique. “L’élément manquant a été une puce autonome qui comprend à la fois le laser de pompe et le résonateur optique. Nous avons démontré cet élément clé, qui devrait permettre l’adoption rapide de cette technologie.”

“Je pense que ce travail va devenir très important”, a déclaré Xiang. Le potentiel de cette nouvelle technologie, a-t-il ajouté, lui rappelle la manière dont l’installation de lasers sur silicium il y a 15 ans a fait avancer à la fois la recherche et la commercialisation industrielle de la photonique sur silicium. “Cette technologie transformatrice a été commercialisée et Intel expédie des millions de produits émetteurs-récepteurs par an”, a-t-il déclaré. « La future photonique sur silicium utilisant des optiques co-packagées sera probablement un puissant moteur pour les émetteurs-récepteurs de plus grande capacité utilisant un grand nombre de canaux optiques. »

Xiang a expliqué que le peigne actuel produit environ vingt à trente lignes de peigne utilisables et que l’objectif à l’avenir sera d’augmenter ce nombre, “espérons-le obtenir une centaine de lignes combinées de chaque résonateur laser, avec une faible consommation d’énergie”.

Sur la base de la faible consommation d’énergie des micropeignes à solitons et de leur capacité à fournir un grand nombre de lignes de peignes optiques de haute pureté pour les communications de données, a déclaré Xiang : « Nous pensons que notre réalisation pourrait devenir l’épine dorsale des efforts visant à appliquer les technologies de peigne de fréquence de nombreux domaines, y compris les efforts pour suivre le trafic de données en croissance rapide et, espérons-le, ralentir la croissance de la consommation d’énergie dans les centres de données à grande échelle. »