Contrairement à l'immense succès de l'intégration électronique, l'intégration photonique n'en est qu'à ses débuts. L'un des obstacles les plus sérieux auxquels il est confronté est la nécessité d'utiliser une variété de matériaux pour réaliser différentes fonctions, contrairement à l'intégration électronique. Pour compliquer encore les choses, de nombreux matériaux requis pour l'intégration photonique ne sont pas compatibles avec la technologie d'intégration du silicium.

Jusqu'à présent, les tentatives visant à placer une variété de nanofils fonctionnels dans des circuits photoniques pour atteindre les fonctionnalités souhaitées ont montré que, bien que tout à fait possible, les nanofils ont tendance à être trop petits pour confiner efficacement la lumière. Alors que des nanofils plus gros peuvent améliorer le confinement de la lumière et les performances, il augmente à la fois la consommation d'énergie et l'encombrement de l'appareil, deux éléments considérés comme « fatals » en matière d'intégration.

En s'attaquant à ce problème, un groupe de chercheurs de NTT Corp. au Japon a proposé une approche qui consiste à combiner un nanofil sous-longueur d'onde avec une plate-forme de cristal photonique, qu'ils rapportent cette semaine dans le journal Photonique APL .

Les cristaux photoniques, structures artificielles dont l'indice de réfraction est périodiquement modulé, sont au cœur de leur travail.

"Une petite modulation locale de l'indice de réfraction d'un cristal photonique produit un fort confinement de la lumière qui conduit à des nanorésonateurs optiques de très haute qualité, " dit Masaya Notomi, un scientifique distingué senior pour les laboratoires de recherche fondamentale NTT. "Nous utilisons pleinement cette caractéristique particulière dans notre travail."

De retour en 2014, ce même groupe a démontré qu'il était possible de confiner fortement la lumière dans un nanofil sub-longueur d'onde d'un diamètre de 100 nanomètres en le plaçant sur un cristal photonique de silicium. À ce moment-là, "c'était une démonstration préliminaire du mécanisme de confinement, mais avec notre travail actuel, nous avons démontré avec succès le fonctionnement d'un dispositif à nanofils sous-longueur d'onde sur une plate-forme de silicium en utilisant cette méthode, " dit Notomi.

En d'autres termes :alors qu'un nanofil sous-longueur d'onde ne peut pas à lui seul devenir un résonateur avec un fort confinement de la lumière, lorsqu'il est placé sur un cristal photonique, il provoque la modulation d'indice de réfraction nécessaire pour générer le confinement de la lumière.

"Pour notre travail, nous préparons soigneusement un nanofil semi-conducteur III-V avec un gain optique suffisamment grand et le plaçons dans une fente d'un cristal photonique de silicium en utilisant la «technique de manipulation de nanosondes, ' qui se traduit par un nanorésonateur optique, " dit Masato Takiguchi, l'auteur principal de l'article et un chercheur travaillant au sein du groupe de Notomi aux NTT Basic Research Laboratories. "Avec une série de caractérisations minutieuses, nous avons démontré que ce nanofil de longueur d'onde inférieure peut présenter une oscillation laser à onde continue et une modulation de signal à haute vitesse à 10 Gbps. »

Pour utiliser des lasers à nanofils pour l'intégration photonique, trois conditions essentielles doivent être remplies. "D'abord, un nanofil doit être le plus petit possible pour un confinement de la lumière suffisamment fort, ce qui garantit un encombrement et une consommation d'énergie ultra réduits, " dit Takiguchi. " Deuxièmement, un laser à nanofils doit être capable de générer des signaux à grande vitesse. Troisième, la longueur d'onde laser doit être supérieure à 1,2 microns pour éviter l'absorption dans le silicium, Il est donc important de créer des lasers à nanofils sous-longueur d'onde à des longueurs d'onde de communication optique — 1,3 à 1,55 microns — capables de modulation de signal à grande vitesse. »

En réalité, les démonstrations précédentes de lasers à nanofils "ont toutes été à des longueurs d'onde inférieures à 0,9 micron, qui ne peut pas être utilisé pour les circuits intégrés photoniques au silicium - à l'exception d'une démonstration laser pulsée de lasers à fil de micron relativement épais à 1,55 micron, " a déclaré Notomi. C'est probablement parce que le gain de matière est plus petit aux longueurs d'onde plus longues, ce qui rend difficile pour les nanofils minces d'obtenir un effet laser.

Au delà de ça, « aucune démonstration de modulation à grande vitesse par tout type de nanofils ne s'est matérialisée, " a-t-il noté. Cela est également dû au faible volume de gain.

"Avec notre travail actuel, nous avons résolu ces problèmes en combinant un nanofil et un cristal photonique de silicium, " a déclaré Notomi. "Notre résultat est la première démonstration d'oscillation laser à onde continue par un nanofil sous-longueur d'onde, ainsi que la première démonstration de modulation de signal à grande vitesse par un laser à nanofils."

Le groupe a pu réaliser une modulation de 10 Gbps, ce qui est comparable au conventionnel, lasers à grande vitesse modulés directement utilisés pour les communications optiques.

"Cela prouve que les lasers à nanofils sont prometteurs pour le traitement de l'information, en particulier les circuits intégrés photoniques, " dit Notomi.

L'application la plus prometteuse pour les travaux actuels du groupe est les circuits d'intégration photonique à base de nanofils, pour lesquels ils utiliseront différents nanofils pour réaliser différentes fonctionnalités, telles que des lasers, photodétecteurs, et des commutateurs dans des circuits intégrés photoniques au silicium.

"On s'attend à ce que des processeurs équipés d'un réseau photonique sur puce soient nécessaires d'ici environ 15 ans, et l'intégration photonique à base de nanofils sera une solution possible, " dit Notomi.

Concernant les lasers, le prochain objectif du groupe est d'intégrer des lasers à nanofils avec des guides d'ondes d'entrée/sortie.

"Bien que ce type d'intégration ait été une tâche difficile pour les dispositifs à base de nanofils, nous nous attendons à ce que ce soit beaucoup plus facile dans notre plate-forme car la plate-forme à cristal photonique est intrinsèquement supérieure en termes de connexion du guide d'ondes, " a déclaré Takiguchi. " Nous visons également le laser à température ambiante piloté par le courant. "

Le groupe envisage également d'utiliser la même technique pour créer « des dispositifs photoniques autres que les lasers en choisissant des nanofils différents, " a déclaré Takiguchi. "Nous voulons démontrer que nous sommes capables d'intégrer un certain nombre de dispositifs photoniques en ayant différentes fonctionnalités sur une seule puce."