Dans notre société de l'information, la synthèse, Distribution, et le traitement des signaux radio et micro-ondes sont omniprésents dans les réseaux sans fil, télécommunications, et radars. La tendance actuelle est d'utiliser des porteuses dans des bandes de fréquences plus élevées, en particulier avec les goulots d'étranglement imminents de la bande passante dus aux demandes de, par exemple, 5G et « Internet des objets ». 'Photonique micro-ondes, ' une combinaison d'ingénierie micro-ondes et d'optoélectronique, pourrait offrir une solution.

Un élément clé de la photonique micro-ondes est constitué par les peignes de fréquence optique, qui fournissent des centaines de lignes laser équidistantes et cohérentes entre elles. Ce sont des impulsions optiques ultracourtes émises avec un taux de répétition stable qui correspond précisément à l'espacement en fréquence des lignes de peigne. La photodétection des impulsions produit une porteuse micro-onde.

Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés sur les peignes de fréquence à l'échelle de la puce générés à partir de microrésonateurs non linéaires entraînés par des lasers à ondes continues. Ces peignes de fréquence reposent sur la formation de solitons de Kerr dissipatifs, qui sont des impulsions lumineuses cohérentes ultracourtes circulant à l'intérieur de microrésonateurs optiques. À cause de ce, ces peignes de fréquence sont communément appelés « micropeignes solitons ».

La génération de micropeignes à solitons nécessite des microrésonateurs non linéaires, et ceux-ci peuvent être directement construits sur puce en utilisant la technologie de nanofabrication CMOS. La co-intégration avec les circuits électroniques et les lasers intégrés ouvre la voie à la miniaturisation au peigne fin, permettant une multitude d'applications en métrologie, spectroscopie et communications.

Publication dans Photonique de la nature , une équipe de recherche de l'EPFL dirigée par Tobias J. Kippenberg a maintenant démontré des micropeignes à solitons intégrées avec des taux de répétition aussi bas que 10 GHz. Ceci a été réalisé en réduisant considérablement les pertes optiques des guides d'ondes photoniques intégrés à base de nitrure de silicium, un matériau déjà utilisé dans les circuits micro-électroniques CMOS, et qui a également été utilisé au cours de la dernière décennie pour construire des circuits intégrés photoniques qui guident la lumière laser sur puce.

Les scientifiques ont pu fabriquer des guides d'ondes en nitrure de silicium avec la perte la plus faible de tous les circuits intégrés photoniques. Grâce à cette technologie, les impulsions solitons cohérentes générées ont des taux de répétition à la fois dans les micro-ondes K- (~20 GHz, utilisé en 5G) et en bande X (~10 GHz, utilisé dans les radars).

Les signaux micro-ondes résultants présentent des propriétés de bruit de phase égales ou même inférieures à celles des synthétiseurs micro-ondes électroniques commerciaux. La démonstration de micropeignes à solitons intégrées à des taux de répétition micro-ondes fait le pont entre les domaines de la photonique intégrée, optique non linéaire et photonique hyperfréquence.

L'équipe de l'EPFL a atteint un niveau de pertes optiques suffisamment faible pour permettre à la lumière de se propager sur près de 1 mètre dans un guide d'onde de seulement 1 micromètre de diamètre, ou environ 100 fois plus petit qu'un cheveu humain. Ce niveau de perte est toujours supérieur de plus de trois ordres de grandeur à la valeur dans les fibres optiques, mais représente la perte la plus faible de tous les guides d'ondes à confinement serré pour la photonique non linéaire intégrée à ce jour.

Une perte aussi faible est le résultat d'un nouveau procédé de fabrication mis au point par des scientifiques de l'EPFL, le "procédé Damascène photonique au nitrure de silicium". "Ce processus, lorsqu'elle est réalisée par lithographie pas à pas aux ultraviolets profonds, donne des performances vraiment spectaculaires en termes de faibles pertes, ce qui n'est pas réalisable avec les techniques classiques de nanofabrication, " dit Junqiu Liu, le premier auteur de l'article qui dirige également la fabrication de puces nanophotoniques en nitrure de silicium au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l'EPFL. "Ces micro-peignes, et leurs signaux hyperfréquences, pourraient être des éléments critiques pour la construction d'oscillateurs micro-ondes à faible bruit entièrement intégrés pour les futures architectures de radars et de réseaux d'information. »

L'équipe de l'EPFL travaille déjà avec des collaborateurs aux États-Unis pour développer des modules de micropeigne à solitons hybrides intégrés qui combinent des lasers à semi-conducteurs à l'échelle d'une puce. Ces micropeignes très compactes peuvent avoir un impact sur de nombreuses applications, par ex. émetteurs-récepteurs dans les centres de données, LiDAR, horloges atomiques optiques compactes, tomographie par cohérence optique, photonique micro-ondes, et la spectroscopie.