Circuits intégrés photoniques au tantalate de lithium. Crédit : Tobias Kippenberg (EPFL)
La nouvelle technologie de circuit intégré photonique basée sur le tantalate de lithium améliore la rentabilité et l'évolutivité, réalisant ainsi des progrès significatifs dans les communications optiques et l'informatique.
Les communications optiques et les systèmes informatiques ont été révolutionnés par les progrès rapides des circuits intégrés photoniques (PIC), qui combinent plusieurs dispositifs et fonctionnalités optiques sur une seule puce.
Pendant des décennies, les PIC à base de silicium ont dominé le domaine en raison de leur rentabilité et de leur intégration avec les technologies de fabrication de semi-conducteurs existantes, malgré leurs limites en ce qui concerne leur bande passante de modulation électro-optique. Néanmoins, des puces d’émetteur-récepteur optique en silicium sur isolant ont été commercialisées avec succès, alimentant le trafic d’informations à travers des millions de fibres de verre dans les centres de données modernes.
Plateformes émergentes de niobate de lithium
Récemment, la plate-forme de tranches de niobate de lithium sur isolant est apparue comme un matériau supérieur pour les modulateurs électro-optiques photoniques intégrés en raison de son fort coefficient de Pockels, essentiel pour la modulation optique à grande vitesse. Néanmoins, les coûts élevés et les exigences de production complexes ont empêché l’adoption plus large du niobate de lithium, limitant ainsi son intégration commerciale.
Tantalate de lithium (LiTaO3), un proche parent du niobate de lithium, promet de surmonter ces barrières. Il présente d'excellentes qualités électro-optiques similaires, mais présente un avantage sur le niobate de lithium en termes d'évolutivité et de coût, car il est déjà largement utilisé dans les filtres radiofréquence 5G par les industries des télécommunications.
Aujourd'hui, des scientifiques dirigés par le professeur Tobias J. Kippenberg de l'EPFL et le professeur Xin Ou de l'Institut des microsystèmes et des technologies de l'information de Shanghai (SIMIT) ont créé une nouvelle plateforme PIC basée sur le tantalate de lithium. Le PIC exploite les avantages inhérents du matériau et peut transformer le domaine en rendant les PIC de haute qualité plus viables économiquement. La percée a été publiée le 8 mai dans Nature.
Innovations technologiques dans la fabrication
Les chercheurs ont développé une méthode de liaison de tranches pour le tantalate de lithium, compatible avec les lignes de production de silicium sur isolant. Ils ont ensuite masqué la plaquette de tantalate de lithium en couche mince avec du carbone de type diamant et ont procédé à la gravure de guides d'ondes optiques, de modulateurs et de microrésonateurs à facteur de qualité ultra-élevé.
La gravure a été réalisée en combinant des techniques de photolithographie ultraviolette profonde (DUV) et de gravure sèche, développées initialement pour le niobate de lithium, puis soigneusement adaptées pour graver le tantalate de lithium, plus dur et plus inerte. Cette adaptation impliquait l'optimisation des paramètres de gravure afin de minimiser les pertes optiques, un facteur crucial pour atteindre des performances élevées dans les circuits photoniques.
Réalisations et perspectives d'avenir
Grâce à cette approche, l’équipe a pu fabriquer des PIC au tantalate de lithium à haut rendement avec un taux de perte optique de seulement 5,6 dB/m à la longueur d’onde des télécommunications. Un autre point fort est le modulateur électro-optique Mach-Zehnder (MZM), un dispositif largement utilisé aujourd'hui dans les communications à fibre optique à haut débit. Le tantalate de lithium MZM offre un produit tension-longueur demi-onde de 1,9 V cm et une bande passante électro-optique atteignant 40 GHz.
« Tout en conservant des performances électro-optiques très efficaces, nous avons également généré un micropeigne soliton sur cette plate-forme », explique Chengli Wang, premier auteur de l'étude. « Ces micropeignes solitons présentent un grand nombre de fréquences cohérentes et, lorsqu'ils sont combinés avec des capacités de modulation électro-optique, sont particulièrement adaptés aux applications telles que le LiDAR cohérent parallèle et le calcul photonique. »
La biréfringence réduite du PIC au tantalate de lithium (la dépendance de l'indice de réfraction sur la polarisation de la lumière et la direction de propagation) permet des configurations de circuits denses et garantit de larges capacités opérationnelles sur toutes les bandes de télécommunications. Ces travaux ouvrent la voie à une fabrication évolutive et rentable de PIC électro-optiques avancés.
