Les matériaux piézoélectriques peuvent convertir la tension électrique en déplacement mécanique et vice versa. Ils sont omniprésents dans les réseaux de communication sans fil modernes tels que les téléphones portables. Aujourd'hui, dispositifs piézoélectriques, y compris les filtres, transducteurs et oscillateurs, sont utilisés dans des milliards d'appareils pour les communications sans fil, positionnement global, navigations, et les applications spatiales.

Dans un article publié dans La nature , une collaboration dirigée par le professeur Tobias J. Kippenberg à l'EPFL et le professeur Sunil A. Bhave à l'Université Purdue a combiné la technologie piézoélectrique de nitrure d'aluminium (AlN)—utilisée dans les filtres radiofréquence des téléphones portables modernes—avec du nitrure de silicium à ultrafaible perte (Si 3 N 4 ) photonique intégrée, démonstration d'un nouveau schéma de modulation acousto-optique sur puce.

Le circuit hybride permet un actionnement à large bande sur des guides d'ondes photoniques avec une puissance électrique ultra-faible, un exploit qui a été jusqu'à présent difficile. Le circuit lui-même a été fabriqué à l'aide de procédés de fonderie compatibles CMOS, qui sont largement utilisés pour construire des microprocesseurs, microcontrôleurs, puces mémoire, et d'autres circuits logiques numériques.

Lumière et son

Pour construire le circuit, les scientifiques ont utilisé Si 3 N 4 , qui a émergé comme un matériau de premier plan pour la puce à l'échelle, peignes de fréquence optique à base de microrésonateurs ("microcombs"). Les micro-peignes sont utilisées dans une gamme d'applications exigeantes en précision, y compris des communications cohérentes, étalonnage de spectromètre astronomique, gamme ultrarapide, synthèse micro-onde à faible bruit, horloges atomiques optiques, et plus récemment, LiDAR cohérent parallèle.

Les chercheurs ont fabriqué des actionneurs piézoélectriques en AlN sur le Si à ultrafaible perte 3 N 4 circuits photoniques, et appliqué un signal de tension sur eux. Le signal induit des ondes acoustiques massives électromécaniquement, qui peut moduler le micropeigne généré dans le Si 3 N 4 circuits. En bref, le son fait trembler la lumière.

Une caractéristique clé de ce schéma est qu'il maintient la perte ultra-faible de Si 3 N 4 circuits. "Cette réalisation représente une nouvelle étape pour la technologie des micropeignes, pontage de la photonique intégrée, ingénierie des systèmes microélectromécaniques et optique non linéaire, " dit Junqiu Liu, qui dirige la fabrication de Si 3 N 4 puces photoniques au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l'EPFL. « En exploitant les interactions piézoélectriques et acousto-optiques massives, il permet une modulation optique sur puce avec une vitesse sans précédent et une consommation d'énergie ultra-faible."

Deux nouvelles candidatures

Grâce au nouveau système hybride, les chercheurs ont démontré deux applications indépendantes :l'optimisation d'un LiDAR cohérent massivement parallèle à base de micropeignes, sur la base de leurs travaux antérieurs également publiés dans La nature récemment. Cette approche pourrait ouvrir la voie aux moteurs LiDAR à puce pilotés par des circuits microélectroniques CMOS.

Seconde, ils ont construit des isolateurs optiques sans aimant par modulation spatio-temporelle d'un Si 3 N 4 microrésonateur, qui a été publié récemment dans Communication Nature . "Le confinement vertical serré des ondes acoustiques massives empêche la diaphonie et permet un placement rapproché des actionneurs, ce qui est difficile à réaliser dans les modulateurs p-i-n au silicium, " dit Hao Tian, qui a fabriqué les actionneurs piézoélectriques dans la salle blanche Scifres du Birck Nanotechnology Center de Purdue.

La nouvelle technologie pourrait donner une impulsion aux applications de micropeigne dans les systèmes à énergie critique, par exemple. dans l'espace, datacenters et horloges atomiques portables, ou dans des environnements extrêmes tels que des températures cryogéniques. « Les candidatures encore imprévues feront l'objet d'un suivi dans plusieurs communautés, " dit le professeur Kippenberg. " Il a été démontré à maintes reprises que les systèmes hybrides peuvent obtenir des avantages et des fonctionnalités au-delà de ceux obtenus avec des composants individuels. "

« J'ai lu récemment un Scientifique américain article qui m'a beaucoup plu, " ajoute le professeur Bhave. " Il s'appelle, "Pourquoi la science est meilleure quand elle est multinationale." Nos résultats ne seraient pas possibles sans cette collaboration multidisciplinaire et intercontinentale."