Extension du spectre – Technology Org

Photonique. C’est un mot à connaître. Cette technologie utilise la lumière au lieu de l’électricité. C’est rapide; c’est polyvalent; et il est sur le point d’être la prochaine avancée majeure de la technologie humaine.

Jusqu’à présent, la recherche en photonique a nécessité des équipements coûteux et sophistiqués tels que des lasers de précision et des circuits personnalisés. Mais pour réaliser son plein potentiel, la technologie doit devenir beaucoup plus petite, moins chère et plus facile à produire. Les chercheurs ont fait des progrès sur ces fronts, mais ont encore du mal à faire fonctionner leurs circuits avec des longueurs d’onde de lumière plus courtes.

Dans une découverte qui promet de rendre ces composants plus petits et plus puissants, une équipe de Nexus Photonics, UC Santa Barbara et Caltech a développé une technique permettant aux puces photoniques de fonctionner dans le spectre du visible au proche infrarouge. La technique tire également parti des méthodes courantes dans la fabrication électronique, ce qui facilite la production à grande échelle à peu de frais. Les résultats paraissent dans le journal La nature(le lien est externe).

« C’est le genre de percée qui pourrait ouvrir des possibilités auxquelles personne n’avait pensé auparavant », a déclaré le co-auteur principal. Ted Morin(le lien est externe), doctorante à l’UC Santa Barbara. La technologie permettra à la photonique haute performance d’accéder à de nouveaux marchés et applications, tels que la réalité augmentée et virtuelle, les soins de santé et les horloges atomiques aux longueurs d’onde visibles et proches de l’infrarouge. De plus, la production à grande échelle fera chuter le prix des lasers et des circuits photoniques. « Ce sera comme obtenir un yacht pour le prix d’une planche de surf », a déclaré Morin.

Les progrès de la société au cours du dernier demi-siècle ont suivi les progrès de l’électronique, qui est devenue de plus en plus petite et puissante. « L’humanité a collectivement fait un travail incroyable en fabriquant des circuits électroniques plus petits, plus rapides et plus fiables », a déclaré Morin. « Nous cherchons des moyens d’utiliser la technologie de fabrication des circuits électroniques pour fabriquer des circuits photoniques. »

Les informations lumineuses et l’énergie sont transmises à travers des guides d’ondes dans un circuit photonique, un peu comme l’électricité dans les fils d’un circuit électronique. Un énorme obstacle à la miniaturisation a été de connecter le laser au circuit photonique lui-même. Mais le brancher sur chaque voie n’est tout simplement pas pratique. « Imaginez quelqu’un branchant des fils, à la main, à tous les quelques transistors de votre processeur d’ordinateur », a déclaré Morin.

« Cela irait complètement à l’encontre de l’objectif de rendre les choses plus compactes », a ajouté le co-auteur principal Minh Tran, directeur de recherche chez Nexus Photonics, qui a obtenu son doctorat à l’UC Santa Barbara.

Ce problème de « connexion laser » a été élégamment résolu pour les circuits en silicium en 2005 par des chercheurs de l’UC Santa Barbara, dirigés par le professeur John Bowers. Ils ont surmonté cet obstacle en liant les matériaux laser juste au-dessus du silicium et en faisant descendre la lumière dans les guides d’ondes. Cette technologie et ses variantes ont depuis été développées par plusieurs instituts industriels et de recherche, et commercialisées par Intel à plusieurs millions de dollars par an.

Malheureusement, ces solutions ont un hic. Ils ne fonctionnent que pour la lumière d’une longueur d’onde supérieure à 1 100 nanomètres, qui se situe profondément dans l’infrarouge. Chaque semi-conducteur a ce qu’on appelle une « énergie de bande interdite », et les photons avec une énergie plus élevée (c’est-à-dire une longueur d’onde plus petite) que celle-ci sont absorbés par le matériau. La bande interdite du silicium est d’environ 1 100 nm. « Donc, tout ce qui est plus court que cela ne fonctionne pas avec la technologie actuelle », a déclaré Tran. La lumière visible va de 380 à 750 nm, ce qui signifie que les UV, la lumière visible et même certains infrarouges sont absorbés par les guides d’ondes en silicium.

Ainsi, bien que le silicium soit idéal pour l’électronique, il ne peut pas transmettre la lumière à toutes les longueurs d’onde souhaitées par les scientifiques et les ingénieurs. « Si nous voulons étendre nos applications à des longueurs d’onde plus courtes, nous devons utiliser un matériau différent pour guider notre lumière », a expliqué Tran.

Le nitrure de silicium s’est imposé comme le meilleur candidat. La bande interdite du matériau est d’environ 250 nm, bien dans la partie ultraviolette du spectre. Et comme il s’agit d’un composé de silicium, il s’intègre facilement aux pratiques de fabrication électronique. Ses composants, le silicium et l’azote, sont également abondants et peu coûteux. « Essentiellement, c’est du sable plus de l’air », a déclaré Morin. Et l’ensemble du processus implique des étapes de fabrication de routine et peut facilement être étendu à l’infrastructure existante.

Mais maintenant, le défi de connecter des lasers à des guides d’ondes devait être à nouveau relevé, car la technique originale sur silicium ne fonctionnait pas avec le nitrure de silicium en raison de ses propriétés optiques. La lumière se déplace à des vitesses différentes selon la substance qu’elle traverse. Les scientifiques décrivent la vitesse de la lumière dans un matériau avec un nombre appelé indice de réfraction, et le nitrure de silicium a un indice très différent de celui du matériau laser. Cela rend difficile la courbure du faisceau de lumière de la couche laser dans les guides d’ondes en nitrure de silicium en dessous.

Pour résoudre ce problème, l’équipe a ajouté un matériau intermédiaire avec un indice de réfraction proche de celui du nitrure de silicium sur le même plan que le laser. De cette façon, la lumière laser pourrait entrer de front dans le guide d’ondes de transition, puis être dirigée vers le nitrure de silicium à partir d’un matériau aux propriétés optiques similaires. Et tandis que la conception était un pas en avant, le véritable défi consistait à rendre le processus compatible avec les processus de fabrication électronique standard, a expliqué Tran.

Cette réalisation marque une avancée majeure pour l’équipe. « En 2018, plusieurs d’entre nous de l’UCSB ont fondé Nexus Photonics pour résoudre le défi de la fabrication de circuits intégrés photoniques à courte longueur d’onde », a déclaré le cofondateur et PDG Tin Komljenovic. « Maintenant, nous avons enfin optimisé la technologie au point où elle dépasse les performances des grands systèmes commerciaux tout en étant plus petite qu’un centime. »

« Il s’agit d’une étape importante dans le domaine des semi-conducteurs et de la photonique », a ajouté Chong Zhang, diplômé de l’UC Santa Barbara et co-auteur principal, co-fondateur et vice-président de l’ingénierie chez Nexus Photonics. « Il fournit une solution réalisable et évolutive, pour la première fois, pour l’intégration photonique complète dans la longueur d’onde du visible au proche infrarouge. »

La technique de couplage laser rendra les ordres de grandeur photoniques de précision à haute puissance moins coûteux. En conséquence, ils seront accessibles aux chercheurs qui font des découvertes, aux ingénieurs qui font de meilleures technologies et éventuellement même à l’électronique grand public. Après tout, les circuits photoniques miniaturisés produits en série sont exactement le type de composants qui peuvent être incorporés dans des biens de consommation.

Il existe toutes sortes d’applications, expliquent les auteurs. Cette technologie pourrait trouver sa place dans les sciences biomédicales grâce à des applications telles que la biodétection et le séquençage de l’ADN. Il ouvrira certainement de nouvelles voies à la physique atomique et à la recherche quantique. « L’utilisation de fonderies commerciales de silicium signifiera que chaque professeur d’université dans toutes les écoles du monde pourra s’offrir de l’équipement et effectuer des expériences qui ne sont désormais réalisables que dans les grandes institutions de recherche », a déclaré Morin.

« Nous démocratisons l’accès à la physique quantique », a ajouté Tran.

La photonique pourrait également révolutionner la réalité virtuelle et augmentée. « Avec la photonique intégrée, il est possible de prendre la lumière d’une petite puce et de l’envoyer dans une direction contrôlée avec précision », a déclaré Morin. « En balayant rapidement la direction, vous pouvez projeter des images de manière dynamique.

« Vous pouvez également détecter d’où vient la lumière sur la même puce », a-t-il poursuivi. « Il est donc possible de faire briller une lumière quelque part et de voir ce qui revient dans un tout petit paquet. » C’est l’idée derrière le lidar, l’équivalent laser du radar, qui révolutionne notre expérience de conduite.

L’équipe a intégré avec succès la photonique dans le secteur de la fabrication électronique et envisage déjà son prochain défi. À terme, ils prévoient d’intégrer des circuits photoniques et électroniques sur la même puce, ce qui permettra d’obtenir des efficacités encore plus importantes en termes de coût et de capacité.

La source: UC Santa Barbara