Les chercheurs ont développé des résonateurs photoniques sur puce avec une perte minimale de lumière UV, ouvrant la voie à des circuits intégrés photoniques UV avancés. Ces résonateurs, fabriqués à partir de films minces d’alumine, offrent un potentiel dans des applications telles que la détection spectroscopique et la communication sous-marine.
Advance jette les bases de dispositifs miniatures pour la spectroscopie, les communications et l’informatique quantique.
Les chercheurs ont créé des résonateurs photoniques basés sur des puces qui fonctionnent dans les régions ultraviolettes (UV) et visibles du spectre et présentent une faible perte de lumière UV record. Les nouveaux résonateurs jettent les bases de l’augmentation de la taille, de la complexité et de la fidélité de la conception des circuits intégrés photoniques UV (PIC), ce qui pourrait permettre la création de nouveaux dispositifs miniatures basés sur des puces pour des applications telles que la détection spectroscopique, la communication sous-marine et le traitement de l’information quantique.
« Par rapport aux domaines mieux établis comme la photonique des télécommunications et la photonique visible, la photonique UV est moins explorée même si les longueurs d’onde UV sont nécessaires pour accéder à certaines transitions atomiques dans atome/informatique quantique basée sur les ions et pour exciter certaines molécules fluorescentes pour la détection biochimique », a déclaré Chengxing He, membre de l’équipe de recherche de l’Université de Yale. « Notre travail constitue une bonne base pour la construction de circuits photoniques fonctionnant aux longueurs d’onde UV. »
Avancées techniques dans les PIC UV
Dans la revue Optica Publishing Group Optique Expressles chercheurs décrivent les microrésonateurs optiques à base d’alumine et comment ils ont atteint une faible perte sans précédent aux longueurs d’onde UV en combinant le bon matériau avec une conception et une fabrication optimisées.
Les chercheurs ont créé un résonateur en anneau basé sur une puce qui fonctionne dans les régions ultraviolettes et visibles du spectre et présente une perte record de lumière UV. Le résonateur (petit cercle au milieu) est représenté en lumière bleue. Crédit : Chengxing He, Université de Yale
« Nos travaux démontrent que les PIC UV ont atteint un point critique où la perte de lumière pour les guides d’ondes n’est plus significativement pire que celle de leurs homologues visibles », a déclaré Hong Tang, chef de l’équipe de recherche. « Cela signifie que toutes les structures PIC intéressantes développées pour les longueurs d’onde du visible et des télécommunications, telles que les peignes de fréquence et le verrouillage par injection, peuvent également être appliquées aux longueurs d’onde UV. »
Diminution de la perte de lumière
Les microrésonateurs ont été fabriqués à partir de films minces d’alumine de haute qualité préparés par les co-auteurs Carlo Waldfried et Jun-Fei Zheng d’Entegris Inc. à l’aide d’un processus de dépôt de couche atomique (ALD) hautement évolutif. La grande bande interdite de l’alumine, d’environ 8 eV, la rend transparente aux photons UV, qui ont une énergie beaucoup plus faible (~ 4 eV) que la bande interdite. Ainsi, les longueurs d’onde UV ne sont pas absorbées par ce matériau.
« Le précédent record a été réalisé avec du nitrure d’aluminium, qui a une bande interdite d’environ 6eV », a-t-il déclaré. « Par rapport au nitrure d’aluminium monocristallin, l’alumine ALD amorphe présente moins de défauts et est moins difficile à fabriquer, ce qui nous a aidé à réduire les pertes. »
Pour créer les microrésonateurs, les chercheurs ont gravé l’alumine pour créer ce que l’on appelle communément un guide d’ondes à nervures, dans lequel une dalle surmontée d’une bande crée la structure de confinement de la lumière. À mesure que la nervure devient plus profonde, le confinement devient plus fort, tout comme la perte par diffusion. Ils ont utilisé la simulation pour trouver la bonne profondeur de gravure afin d’obtenir le confinement de la lumière nécessaire tout en minimisant la perte de diffusion.
Fabriquer des résonateurs en anneau
Les chercheurs ont appliqué ce qu’ils ont appris des guides d’ondes pour créer des résonateurs en anneau d’un rayon de 400 microns. Ils ont constaté que la perte de rayonnement peut être réduite à moins de 0,06 dB/cm à 488,5 nm et à moins de 0,001 dB/cm à 390 nm lorsque la profondeur de gravure était supérieure à 80 nm dans un film d’alumine de 400 nm d’épaisseur.
Après avoir fabriqué des résonateurs en anneau sur la base de ces calculs, les chercheurs ont déterminé leurs facteurs Q en mesurant la largeur des pics de résonance tout en balayant la fréquence lumineuse injectée dans le résonateur. Ils ont trouvé un facteur de qualité (Q) record de 1,5 × 106 à 390 nm (dans la partie UV du spectre) et un facteur Q de 1,9 × 106 à 488,5 nm (une longueur d’onde pour la lumière bleue visible). Des facteurs Q plus élevés indiquent moins de perte de lumière.
« Par rapport aux PIC dans les longueurs d’onde du visible ou des télécommunications, les PIC UV peuvent trouver un avantage dans les communications en raison de la plus grande bande passante ou dans des conditions où d’autres longueurs d’onde sont absorbées, comme sous l’eau », a déclaré He. « En outre, le fait que le processus de dépôt de couche atomique utilisé pour créer l’alumine soit compatible CMOS ouvre la voie à l’intégration du CMOS avec la photonique à base d’alumine amorphe. »
Perspectives d’avenir
Les chercheurs travaillent actuellement au développement de résonateurs en anneau à base d’alumine qui peuvent être réglés pour fonctionner avec différentes longueurs d’onde. Cela pourrait être utilisé pour obtenir un contrôle précis de la longueur d’onde ou pour créer des modulateurs en utilisant deux résonateurs qui interfèrent l’un avec l’autre. Ils souhaitent également développer une source de lumière UV intégrée au PIC pour former un système UV complet basé sur le PIC.
