Il y a quinze ans, John Bowers, professeur d'électricité et de matériaux à l'UC Santa Barbara, a été le pionnier d'une méthode d'intégration d'un laser sur une plaquette de silicium. La technologie a depuis été largement déployée en combinaison avec d'autres dispositifs photoniques au silicium pour remplacer les interconnexions en fil de cuivre qui reliaient auparavant les serveurs des centres de données, augmenter considérablement l'efficacité énergétique, une entreprise importante à un moment où le trafic de données augmente d'environ 25 % par an.

Pour plusieurs années, le groupe Bowers a collaboré avec le groupe de Tobias J. Kippenberg à l'Ecole polytechnique fédérale de Suisse (EPFL), dans le cadre du programme DODOS (Direct On-Chip Digital Optical Synthesizer) de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Le groupe Kippenberg a découvert "des micro-peignes, " une série de parallèles, faible bruit, lignes laser très stables. Chacune des nombreuses lignes du peigne laser peut véhiculer des informations, multipliant considérablement la quantité de données pouvant être envoyées par un seul laser.

Récemment, plusieurs équipes ont fait la démonstration de peignes très compacts en plaçant très près l'une de l'autre une puce laser à semi-conducteur et une puce de résonateur annulaire en nitrure de silicium. Cependant, le laser et le résonateur étaient encore des appareils séparés, réalisés indépendamment puis placés à proximité les uns des autres parfaitement alignés, un processus coûteux et chronophage qui n'est pas évolutif.

Le laboratoire Bowers a travaillé avec le laboratoire Kippenberg pour développer un laser à semi-conducteur intégré et un résonateur capable de produire un micropeigne laser. Un article intitulé "Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon, " publié dans le nouveau numéro de la revue Science , décrit le succès des laboratoires à devenir le premier à atteindre cet objectif.

Les micropeignes à solitons sont des peignes à fréquence optique qui émettent des lignes laser mutuellement cohérentes, c'est-à-dire lignes qui sont en constante, phase immuable l'une par rapport à l'autre. La technologie est appliquée dans les domaines de la synchronisation optique, métrologie et détection. Les récentes démonstrations sur le terrain comprennent des communications optiques à plusieurs térabits par seconde, détection et télémétrie ultrarapides de la lumière (LiDAR), calcul neuromorphique, et l'étalonnage du spectromètre astrophysique pour la recherche de planètes, pour en nommer plusieurs. C'est un outil puissant qui nécessite normalement une puissance exceptionnellement élevée et des lasers coûteux et un couplage optique sophistiqué pour fonctionner.

Le principe de fonctionnement d'un micropeigne laser, a expliqué l'auteur principal Chao Xiang, un chercheur postdoctoral et un doctorat nouvellement créé. dans le laboratoire de Bowers, est qu'un laser à rétroaction distribuée (DFB) produit une ligne laser. Cette ligne traverse ensuite un contrôleur de phase optique et pénètre dans le résonateur à micro-anneau, provoquant l'augmentation de l'intensité de la puissance à mesure que la lumière se déplace autour de l'anneau. Si l'intensité atteint un certain seuil, des effets optiques non linéaires se produisent, amenant la ligne laser à créer deux supplémentaires, lignes identiques de chaque côté. Chacune de ces deux "lignes de côté" en crée d'autres, conduisant à une cascade de génération de lignes laser. "Vous vous retrouvez avec une série de peignes de fréquence mutuellement cohérents, " a déclaré Xiang - et une capacité considérablement accrue de transmettre des données.

Cette recherche permet aux lasers à semi-conducteurs d'être intégrés de manière transparente avec des micro-résonateurs optiques non linéaires à faible perte - "à faible perte" car la lumière peut voyager dans le guide d'ondes sans perdre une quantité significative de son intensité sur la distance. Aucun couplage optique n'est requis, et le dispositif est entièrement commandé électriquement. Surtout, la nouvelle technologie se prête à une production à l'échelle commerciale, parce que des milliers de dispositifs peuvent être fabriqués à partir d'une seule plaquette en utilisant des techniques compatibles avec les semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS) standard de l'industrie. « Notre approche ouvre la voie aux gros volumes, fabrication à faible coût de peignes de fréquence à base de puces pour les émetteurs-récepteurs haute capacité de nouvelle génération, centres de données, plateformes spatiales et mobiles, ", ont déclaré les chercheurs.

Le principal défi dans la fabrication de l'appareil était que le laser à semi-conducteur et le résonateur, qui génère le peigne, devait être construit sur différentes plates-formes matérielles. Les lasers ne peuvent être fabriqués qu'avec des matériaux des groupes III et V du tableau périodique, comme le phosphure d'indium, et les meilleurs peignes ne peuvent être fabriqués qu'à partir de nitrure de silicium. "Donc, nous devions trouver un moyen de les assembler sur une seule plaquette, " expliqua Xiang.

Travaillant séquentiellement sur la même plaquette, les chercheurs ont tiré parti du processus d'intégration hétérogène de l'UCSB pour fabriquer des lasers hautes performances sur substrat de silicium et de la capacité de leurs collaborateurs de l'EPFL à fabriquer des micro-résonateurs en nitrure de silicium à ultra-faible perte et à Q élevé en utilisant le "processus photonique damascène" qu'ils ont développé. Le processus à l'échelle des plaquettes, contrairement à la fabrication de dispositifs individuels puis à leur combinaison un par un, permet de fabriquer des milliers de dispositifs à partir d'une seule plaquette de 100 mm de diamètre, un niveau de production qui peut être encore augmenté par rapport au substrat standard de 200 mm ou 300 mm de diamètre.

Pour que l'appareil fonctionne correctement, le laser, le résonateur et la phase optique entre eux doivent être contrôlés pour créer un système couplé basé sur le phénomène de "verrouillage d'auto-injection". Xiang a expliqué que la sortie laser est partiellement rétroréfléchie par le micro-résonateur. Lorsqu'une certaine condition de phase est atteinte entre la lumière du laser et la lumière rétroréfléchie du résonateur, le laser est dit verrouillé sur le résonateur.

Normalement, la lumière rétroréfléchie nuit aux performances du laser, mais ici, il est crucial pour générer le micropeigne. La lumière laser verrouillée déclenche la formation de solitons dans le résonateur et réduit le bruit de la lumière laser, ou instabilité de fréquence, à la fois. Ainsi, quelque chose de nuisible se transforme en bienfait. Par conséquent, l'équipe a pu créer non seulement le premier micropeigne laser soliton intégré sur une seule puce, mais aussi les premières sources laser à faible largeur de raie avec plusieurs canaux disponibles sur une seule puce.

"Le domaine de la génération de peignes optiques est très passionnant et évolue très rapidement. Il trouve des applications dans les horloges optiques, des réseaux optiques de grande capacité et de nombreuses applications spectroscopiques, " dit Bowers, la chaire Fred Kavli en nanotechnologie et le directeur de l'Institut pour l'efficacité énergétique du College of Engineering. "L'élément manquant a été une puce autonome qui comprend à la fois le laser de pompe et le résonateur optique. Nous avons démontré cet élément clé, ce qui devrait permettre une adoption rapide de cette technologie."

"Je pense que ce travail va devenir très grand, " a déclaré Xiang. Le potentiel de cette nouvelle technologie, il ajouta, lui rappelle la façon dont l'installation de lasers sur silicium il y a 15 ans a fait avancer à la fois la recherche et la commercialisation industrielle de la photonique sur silicium. "Cette technologie transformatrice a été commercialisée, et Intel expédie des millions de produits émetteurs-récepteurs par an, ", a-t-il déclaré. "La photonique sur silicium future utilisant des optiques co-packagées sera probablement un puissant moteur pour les émetteurs-récepteurs de plus grande capacité utilisant un grand nombre de canaux optiques."

Xiang a expliqué que le peigne actuel produit environ vingt à trente lignes de peigne utilisables et que l'objectif à l'avenir sera d'augmenter ce nombre, "J'espère obtenir une centaine de lignes combinées de chaque résonateur laser, avec une faible consommation d'énergie."

Sur la base de la faible consommation d'énergie des micropeignes solitons et de leur capacité à fournir un grand nombre de lignes de peignes optiques de haute pureté pour les communications de données, dit Xiang, "Nous pensons que notre réalisation pourrait devenir l'épine dorsale des efforts visant à appliquer les technologies de peigne de fréquence optique dans de nombreux domaines, y compris les efforts pour suivre le trafic de données en croissance rapide et, avec un peu de chance, ralentir la croissance de la consommation d'énergie dans les centres de données à grande échelle."