Fabrication évolutive de peignes de fréquence optique intégrés

Fabrication évolutive de peignes de fréquence optique intégrés

Photographie montrant des centaines de lasers à semi-conducteurs et de microrésonateurs au nitrure de silicium. Crédit : Chao Xiang, UCSB

Une collaboration entre l’EPFL et l’UCSB a permis de développer une percée attendue de longue date et de démontrer la technologie CMOS, utilisée pour la construction de microprocesseurs et de puces mémoire, qui permet la fabrication à l’échelle d’une plaquette de peignes de fréquence optique à l’échelle de la puce.

Les peignes de fréquence optique sont constitués de fréquences lumineuses constituées de lignes laser équidistantes. Ils ont déjà révolutionné les domaines de la métrologie fréquentielle, du chronométrage et de la spectroscopie. La découverte des « micropeignes à solitons » par le laboratoire du professeur Tobias Kippenberg à l’EPFL au cours de la dernière décennie a permis de générer des peignes de fréquence sur puce. Dans ce schéma, un laser monofréquence est converti en impulsions ultra-courtes appelées solitons Kerr dissipatifs.

Les micropeignes Soliton sont des peignes de fréquence à l’échelle de la puce qui sont compacts, consomment peu d’énergie et présentent une large bande passante. Combinés à un grand espacement des « dents de peigne », les micropeignes sont particulièrement adaptées à une grande variété d’applications, telles que la communication cohérente en térabits par seconde dans les centres de données, l’étalonnage de spectromètres astronomiques pour les recherches d’exoplanètes et le calcul neuromorphique, les horloges atomiques optiques, synthèse et LiDAR cohérent parallèle.

Pourtant, l’intégration des sources laser est un défi majeur. Alors que les micropeignes sont générées sur puce via une conversion de fréquence paramétrique (deux photons d’une fréquence sont annihilés et une paire de deux nouveaux photons sont générés à une fréquence plus élevée et plus basse), les lasers de pompe sont généralement hors puce et encombrants. L’intégration de micropeignes et de lasers sur la même puce peut permettre la production en grand volume de micropeignes à solitons en utilisant des techniques CMOS bien établies développées pour la photonique sur silicium, mais cela a été un défi de taille au cours de la dernière décennie.

Pour les microrésonateurs optiques non linéaires, où sont formés les micropeignes à solitons, le nitrure de silicium (Si3N4)) s’est imposé comme la principale plate-forme en raison de sa perte ultrafaible, de sa large fenêtre de transparence du visible au moyen infrarouge, de l’absence d’absorption à deux photons et de sa puissance élevée. -capacité de manutention. Mais la réalisation de microrésonateurs Si3N4 à perte ultra-faible est encore insuffisante pour la production en grand volume de micropeignes à solitons à l’échelle de la puce, car la co-intégration des lasers de pilotage à l’échelle de la puce est nécessaire.

Il y a quinze ans, le laboratoire du professeur John Bowers à l’UCSB a mis au point une méthode d’intégration de lasers à semi-conducteurs sur une plaquette de silicium. Étant donné que le silicium a une bande interdite indirecte et ne peut pas émettre de lumière, les scientifiques lient des semi-conducteurs de phosphure d’indium sur des plaquettes de silicium pour former des sections de gain laser. Cette technologie laser d’intégration hétérogène a maintenant été largement déployée pour les interconnexions optiques afin de remplacer celles à fil de cuivre qui reliaient les serveurs des centres de données. Cette technologie laser transformatrice a déjà été commercialisée et Intel expédie des millions de produits émetteurs-récepteurs par an.

Dans un article publié dans La science, les deux laboratoires de l’EPFL et de l’UCSB démontrent aujourd’hui la première intégration hétérogène de circuits intégrés photoniques Si3N4 à très faibles pertes (fabriqués à l’EPFL) et de lasers à semi-conducteurs (fabriqués à l’UCSB) grâce à des techniques CMOS à l’échelle de la tranche.

La méthode est principalement basée sur le collage de plaquettes multiples de silicium et de phosphure d’indium sur le substrat Si3N4. Des lasers à rétroaction distribuée (DFB) sont fabriqués sur les couches de silicium et de phosphure d’indium. La sortie monofréquence d’un laser DFB est transmise à un microrésonateur Si3N4 situé en dessous, où le laser DFB amorce la formation de micropeignes de solitons et crée des dizaines de nouvelles lignes de fréquence.

Ce processus hétérogène à l’échelle d’une plaquette peut produire plus d’un millier de dispositifs à micropeigne à solitons à l’échelle d’une puce à partir d’une seule plaquette de 100 mm de diamètre, se prêtant à une fabrication de niveau commercial. Chaque appareil est entièrement commandé électriquement. Il est important de noter que le niveau de production peut être encore augmenté jusqu’aux substrats de 200 ou 300 mm de diamètre standard de l’industrie.

« Notre technologie de fabrication hétérogène combine les trois plates-formes photoniques intégrées traditionnelles, à savoir le silicium, le phosphate d’inidium et le Si3N4, et peut ouvrir la voie à la fabrication en grand volume et à faible coût de peignes de fréquence à base de puces pour les émetteurs-récepteurs haute capacité de nouvelle génération, centres de données, détection et métrologie », explique le Dr Junqiu Liu, qui dirige la fabrication du Si3N4 au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l’EPFL.


Le premier laser et micropeigne intégrés commercialement évolutifs sur une seule puce


Plus d’information:
« Micropeignes laser solitons intégrés de manière hétérogène sur silicium » La science (2021). science.sciencemag.org/lookup/ … 1126/science.abh2076

Provided by
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

Citation: Fabrication évolutive de peignes de fréquence optique intégrés (2021, 1er juillet) récupéré le 1er juillet 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-07-scalable-optical-frequence.html

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