Les circuits photoniques intégrés pourraient aider à combler le « fossé térahertz »

Des chercheurs de l’EPFL ont collaboré avec des collègues de Harvard et de l’ETH Zurich sur un nouveau circuit à couche mince qui, lorsqu’il est connecté à un faisceau laser, produit des ondes de fréquence térahertz finement personnalisables. L’appareil ouvre un monde d’applications potentielles dans l’optique et les télécommunications.

Des chercheurs dirigés par Cristina Benea-Chelmus du Laboratoire de photonique hybride (HYLAB) de la Faculté d’ingénierie de l’EPFL ont fait un grand pas en avant vers l’exploitation réussie de ce que l’on appelle l’écart térahertz, qui se situe entre environ 300 et 30 000 gigahertz (0,3 à 30 THz) sur le spectre électromagnétique. Cette gamme est actuellement une sorte de zone morte technologique, décrivant des fréquences trop rapides pour les appareils électroniques et de télécommunications d’aujourd’hui, mais trop lentes pour les applications d’optique et d’imagerie.

Désormais, grâce à une puce extrêmement fine avec un circuit photonique intégré en niobate de lithium, les chercheurs de HYLAB et leurs collègues de l’ETH Zurich et de l’Université de Harvard ont réussi non seulement à produire des ondes térahertz, mais aussi à concevoir une solution pour personnaliser leur fréquence, longueur d’onde, amplitude et phase.

Un tel contrôle précis du rayonnement térahertz signifie qu’il peut désormais potentiellement être exploité pour des applications de nouvelle génération dans les domaines électronique et optique. Les résultats viennent d’être publiés dans Communication Nature.

“Voir les appareils émettre un rayonnement avec des propriétés que nous avons prédéfinies était une confirmation que notre modèle était correct”, déclare la co-première auteure Alexa Herter, actuellement doctorante. étudiant à l’ETH Zurich.

“Cela a été rendu possible grâce aux caractéristiques uniques de la photonique intégrée au niobate de lithium”, ajoute le co-premier auteur Amirhassan Shams-Ansari, boursier postdoctoral à l’Université de Harvard.

Prêt pour les télécoms

Benea-Chelmus explique que si de telles ondes térahertz ont déjà été produites en laboratoire, les approches précédentes reposaient principalement sur des cristaux en vrac pour générer les bonnes fréquences. L’utilisation par son laboratoire du circuit de niobate de lithium, finement gravé à l’échelle nanométrique par des collaborateurs de l’Université de Harvard, rend leur nouvelle approche beaucoup plus simple. L’utilisation d’un substrat de silicium rend également le dispositif apte à être intégré dans des systèmes électroniques et optiques.

“Générer des ondes à très hautes fréquences est extrêmement difficile, et il existe très peu de techniques capables de les générer avec des modèles uniques. Nous sommes maintenant capables de concevoir la forme temporelle exacte des ondes térahertz, pour dire essentiellement : “Je veux une forme d’onde qui ressemble comme ça », explique-t-elle.

Pour y parvenir, le laboratoire de Benea-Chelmus a conçu l’arrangement de canaux de la puce appelés guides d’ondes, à partir desquels des antennes microscopiques diffusent des ondes térahertz générées par la lumière des fibres optiques.

“Le fait que notre appareil utilise déjà un signal optique standard est vraiment un avantage, car cela signifie que ces nouvelles puces peuvent être utilisées avec des lasers traditionnels, qui fonctionnent très bien et sont très bien compris. Cela signifie que notre appareil est des télécommunications- compatibles », souligne Benea-Chelmus. Elle ajoute que les appareils miniaturisés qui envoient et reçoivent des signaux dans la gamme des térahertz pourraient jouer un rôle clé dans les systèmes mobiles de sixième génération (6G).

Dans le monde de l’optique, Benea-Chelmus voit un potentiel particulier pour les puces miniaturisées au niobate de lithium en spectroscopie et en imagerie. En plus d’être non ionisantes, les ondes térahertz sont beaucoup moins énergétiques que de nombreux autres types d’ondes (comme les rayons X) actuellement utilisées pour fournir des informations sur la composition d’un matériau, qu’il s’agisse d’un os ou d’une peinture à l’huile. Un dispositif compact et non destructif comme la puce au niobate de lithium pourrait donc constituer une alternative moins invasive aux techniques spectrographiques actuelles.

“Vous pouvez imaginer envoyer un rayonnement térahertz à travers un matériau qui vous intéresse et l’analyser pour mesurer la réponse du matériau, en fonction de sa structure moléculaire. Tout cela à partir d’un appareil plus petit qu’une tête d’allumette.”

Avenir quantique

Ensuite, Benea-Chelmus prévoit de se concentrer sur l’ajustement des propriétés des guides d’ondes et des antennes de la puce pour concevoir des formes d’onde avec de plus grandes amplitudes, et des fréquences et des taux de décroissance plus finement réglés. Elle voit également le potentiel de la technologie térahertz développée dans son laboratoire pour être utile pour les applications quantiques.

« Il y a de nombreuses questions fondamentales à aborder ; par exemple, nous souhaitons savoir si nous pouvons utiliser de telles puces pour générer de nouveaux types de rayonnement quantique qui peuvent être manipulés sur des échelles de temps extrêmement courtes. De telles ondes en science quantique peuvent être utilisées pour contrôler des objets quantiques. .”