Un modulateur de lumière visible ultra-miniature et à faible consommation établit une nouvelle norme industrielle

Au cours des dernières décennies, les chercheurs sont passés de l'utilisation de courants électriques à la manipulation d'ondes lumineuses dans le domaine du proche infrarouge pour des applications de télécommunications telles que les réseaux 5G à haut débit, les biosenseurs sur puce et les voitures sans conducteur. Ce domaine de recherche, connu sous le nom de photonique intégrée, évolue rapidement, et les chercheurs explorent maintenant la gamme de longueurs d'onde visible, plus courte, pour développer une grande variété d'applications émergentes. Celles-ci incluent la détection et la télémétrie par lumière (LiDAR) à l'échelle de la puce, les lunettes de réalité augmentée/virtuelle/mixte (RA/RV/RM), les affichages holographiques, les puces de traitement de l'information quantique et les sondes optogéniques implantables dans le cerveau.

Le dispositif critique pour toutes ces applications dans le domaine visible est un modulateur de phase optique, qui contrôle la phase d'une onde lumineuse, de manière similaire à la façon dont la phase des ondes radio est modulée dans les réseaux informatiques sans fil. Avec un modulateur de phase, les chercheurs peuvent construire un commutateur optique sur puce qui canalise la lumière vers différents ports de guides d'ondes. Avec un grand réseau de ces commutateurs optiques, les chercheurs pourraient créer des systèmes optiques intégrés sophistiqués capables de contrôler la lumière se propageant sur une minuscule puce.

Mais les modulateurs de phase dans le domaine visible sont très difficiles à fabriquer : il n'existe pas de matériaux suffisamment transparents dans le spectre visible tout en offrant une grande accordabilité, que ce soit par des effets thermo-optiques ou électro-optiques. Actuellement, les deux matériaux les plus appropriés sont le nitrure de silicium et le niobate de lithium.

Bien que tous deux soient hautement transparents dans le domaine visible, aucun ne fournit une grande accordabilité. Les modulateurs de phase à spectre visible basés sur ces matériaux sont donc non seulement grands, mais aussi gourmands en énergie : la longueur des modulateurs individuels à base de guides d'ondes varie de centaines de microns à plusieurs millimètres, et un seul modulateur consomme des dizaines de milliwatts pour l'accord de phase. Les chercheurs essayant de réaliser une intégration à grande échelle — incorporer des milliers de dispositifs sur une seule micropuce — ont été, jusqu'à présent, bloqués par ces dispositifs volumineux et énergivores.

Des chercheurs de Columbia Engineering ont trouvé une solution à ce problème — ils ont développé une méthode basée sur des résonateurs en anneau microscopiques pour réduire considérablement à la fois la taille et la consommation d'énergie d'un modulateur de phase à spectre visible, passant d'un millimètre à 10 microns, et de dizaines de milliwatts pour l'accord de phase π à moins d'un milliwatt.

Les résonateurs optiques sont des structures avec un haut degré de symétrie, comme des anneaux, qui peuvent faire circuler un faisceau de lumière de nombreuses fois et traduire de minuscules changements d'indice de réfraction en une grande modulation de phase. Les résonateurs peuvent fonctionner sous différentes conditions et doivent donc être utilisés avec soin. Par exemple, s'ils fonctionnent dans les régimes « sous-critique » ou « critique », un résonateur ne fournira qu'une modulation de phase limitée et, plus problématique, introduira une grande variation d'amplitude du signal optique. Cette dernière est une perte optique hautement indésirable car l'accumulation de pertes même modérées de modulateurs de phase individuels empêchera de les cascader pour former un circuit ayant un signal de sortie suffisamment important.

Pour obtenir un accord de phase complet de 2π et une variation d'amplitude minimale, l'équipe de recherche a choisi de faire fonctionner un micro-anneau dans le régime « fortement sur-critique », une condition dans laquelle la force de couplage entre le micro-anneau et le guide d'ondes « bus » qui alimente la lumière dans l'anneau est au moins 10 fois plus forte que la perte du micro-anneau, qui est principalement due à la diffusion optique à la rugosité à l'échelle nanométrique sur les parois latérales du dispositif.

L'équipe a développé plusieurs stratégies pour pousser les dispositifs dans le régime fortement sur-critique. La plus cruciale a été leur invention d'une géométrie de micro-anneau adiabatique, dans laquelle l'anneau transitionne en douceur entre un col étroit et un ventre large, qui se trouvent aux bords opposés de l'anneau. Le col étroit de l'anneau facilite l'échange de lumière entre le guide d'ondes bus et le micro-anneau, augmentant ainsi la force de couplage. Le ventre large de l'anneau réduit la perte optique car la lumière guidée n'interagit qu'avec la paroi latérale externe, et non la paroi interne, de la partie élargie du micro-anneau adiabatique, réduisant considérablement la diffusion optique à la rugosité de la paroi.

Dans une étude comparative de micro-anneaux adiabatiques et de micro-anneaux conventionnels à largeur uniforme fabriqués côte à côte sur la même puce, l'équipe a découvert qu'aucun des micro-anneaux conventionnels ne satisfaisait la condition de sur-critique forte — en fait, ils souffraient de très mauvaises pertes optiques — tandis que 63 % des micro-anneaux adiabatiques continuaient de fonctionner dans le régime fortement sur-critique.

Leurs meilleurs modulateurs de phase fonctionnant aux couleurs bleue et verte, qui sont les parties les plus difficiles du spectre visible, ont un rayon de seulement cinq microns, consomment une puissance de 0,8 mW pour l'accord de phase π et introduisent une variation d'amplitude inférieure à 10 %. Selon les chercheurs, aucun travail antérieur n'a démontré de tels modulateurs de phase aussi compacts, économes en énergie et à faibles pertes aux longueurs d'onde visibles.

Les chercheurs notent que bien qu'ils soient loin du degré d'intégration de l'électronique, leur travail réduit considérablement l'écart entre les commutateurs photoniques et électroniques. « Si les technologies de modulateurs précédentes ne permettaient l'intégration que de 100 modulateurs de phase de guides d'ondes pour une certaine surface de puce et un budget d'énergie, nous pouvons maintenant faire 100 fois mieux et intégrer 10 000 déphaseurs sur une puce pour réaliser des fonctions beaucoup plus sophistiquées », a déclaré le professeur Nanfang Yu.

Les chercheurs travaillent maintenant à démontrer un LiDAR à spectre visible composé de grands réseaux 2D de déphaseurs basés sur des micro-anneaux adiabatiques. Les stratégies de conception employées pour leurs dispositifs thermo-optiques à spectre visible peuvent être appliquées aux modulateurs électro-optiques pour réduire leurs empreintes et tensions de commande, et peuvent être adaptées à d'autres gammes spectrales (par exemple, ultraviolet, télécom, infrarouge moyen et térahertz) et à d'autres conceptions de résonateurs au-delà des micro-anneaux.