L’un des éléments les plus importants des puces photoniques ou des puces quantiques est le guide d’ondes optique. Cependant, en raison des limites des méthodes de fabrication existantes, il est difficile de produire efficacement des guides d’ondes avec un contrôle de haute précision de la forme et de la taille de la section transversale 3D. Pour résoudre ce problème difficile, des scientifiques de l’Université d’Oxford ont développé une nouvelle technique de fabrication de guides d’ondes, qui peut produire rapidement des guides d’ondes dans une puce avec des sections transversales 3D contrôlées avec précision, qui présentent également un comportement changeant le long du guide d’ondes. Les guides d’ondes ont été démontrés avec de très faibles pertes et sont très prometteurs pour les puces photoniques ou quantiques.
Arrière plan
Avec l’avancée de l’industrie des semi-conducteurs, le circuit intégré électronique traditionnel approche de sa limite de bande passante et de consommation d’énergie. Par rapport aux circuits intégrés électroniques, les circuits intégrés photoniques présentent une perte de transmission plus faible, une bande passante plus large et un délai plus court. D’autre part, le développement rapide de la technologie quantique au cours des dernières décennies indique que les puces quantiques promettent de remplacer à l’avenir certains aspects des circuits intégrés électroniques traditionnels.
Il est bien connu que l’unité de base du circuit intégré électronique est la diode à semi-conducteur. Comme les circuits intégrés électroniques, les puces optoélectroniques ou puces quantiques ont leurs propres composants de base. Parmi ces composants de base, le guide d’onde optique à l’échelle du micron est l’un des éléments les plus importants. Sur la base du couplage d’ondes évanescentes, des guides d’ondes optiques adjacents peuvent réaliser un traitement de signal programmable, fournissant des fonctions indispensables pour les puces quantiques/photoniques.
En raison des limitations précédentes de la technologie de fabrication, les guides d’ondes optiques de taille micrométrique ont été limités à des sections transversales carrées, elliptiques et circulaires bidimensionnelles. À l’heure actuelle, il existe des options technologiques limitées qui peuvent produire efficacement des guides d’ondes avec à la fois une faible perte et une variation de section transversale 3D précise. Cela impose de nombreuses limitations sur les fonctionnalités et l’efficacité des puces photoniques et quantiques.
La technologie SPIM-WGs
Dans un nouvel article publié dans Sciences de la lumière et applications, le Dr Bangshan Sun, le professeur Martin J. Booth et une équipe de scientifiques de l’Université d’Oxford, ont collaboré avec le professeur Alina Karabchevsky d’Israël, le professeur Alexander Jesacher d’Autriche et le professeur Ian A. Walmsley de l’Imperial College de Londres , ont développé une nouvelle technologie nommée « SPIM-WGs. » Avec cette technique, des guides d’ondes optiques avec des sections transversales 3D variables en continu peuvent être efficacement fabriqués dans une puce. Les guides d’ondes optiques développés sur la base de cette technologie ont non seulement des performances supérieures par rapport aux guides d’ondes traditionnels, mais apportent également plusieurs nouvelles fonctionnalités, ouvrant la voie aux futures puces photoniques et quantiques.
Basé sur l’optique adaptative, le plus grand point fort de la technologie est qu’elle peut produire efficacement des guides d’ondes à faible perte avec des sections transversales variables, telles que des formes circulaires, carrées, annulaires ou de nombreuses autres formes compliquées. La précision du contrôle de la section dans chaque axe peut descendre jusqu’à des centaines de nanomètres. Pour un seul guide d’onde, la forme de la section transversale peut varier le long du guide d’onde lui-même. Par exemple, ils peuvent être torsadés, variant du carré au circulaire, ou du circulaire à l’anneau, etc.
Il est à noter que le guide d’onde présente de très faibles pertes de transmission lors du changement précis de morphologie. Basé sur le substrat en verre, le guide d’ondes a une perte de transmission d’environ -0,14 dB/cm, ce qui signifie que seulement environ 3 % de la puissance optique est perdue lors de la transmission sur 1 cm à travers la puce. Les résultats expérimentaux montrent que la perte de transmission supplémentaire causée par la variation de section est presque négligeable.
Le coût du temps pour fabriquer les guides d’ondes est également remarquable. Par exemple, la méthode traditionnelle silice sur silicium (SoS) prend environ un mois ou plus pour produire des guides d’ondes à partir de la préparation. En comparaison, les SPIM-WG peuvent être produits en quelques minutes, ce qui offre un niveau de flexibilité différent dans le prototypage et la fabrication.
Potentiel d’application
L’application la plus importante des SPIM-WG est la conversion de mode optique. En théorie, les SPIM-WG peuvent fournir les capacités de conversion de mode optique pour toutes les formes arbitraires, limitées uniquement par la taille limitée de diffraction du foyer laser de fabrication. Les SPIM-WG peuvent facilement convertir entre les modes de lumière gaussiens, les modes de lumière elliptiques, les modes TE01 à double lobe et les modes TE01 en anneau. Ces modes apparaissent dans une large gamme de puces optoélectroniques.
L’une des applications les plus importantes de la conversion de mode se situe entre les guides d’ondes pp-KTP et la fibre monomode, reliant les sources de lumière quantique et les puces quantiques. À l’heure actuelle, le guide d’ondes pp-KTP dans la source de lumière quantique doit être directement connecté à une fibre monomode, qui perd environ 25 à 30 % de l’intensité lumineuse. Si le guide d’ondes de conversion de mode fabriqué par les SPIM-WG est utilisé pour le pontage, on s’attend à ce que la perte d’intensité lumineuse puisse être réduite en dessous de 10 %. Cela améliorerait grandement l’efficacité de la plupart des puces quantiques.
De plus, sur la base de la fonctionnalité de conversion de mode, les SPIM-WG peuvent être connectés à une fibre monomode avec une efficacité de couplage jusqu’à 95 %. Cela permet aux dispositifs SPIM-WGs d’être facilement combinés avec la plupart des dispositifs photoniques existants.
On constate que des guides d’ondes avec des sections transversales rectangulaires torsadées à 90 degrés peuvent même être utilisés pour contrôler la polarisation de la lumière. Cela est également très prometteur pour de nombreuses applications photoniques et quantiques.
Bangshan Sun et al, rotateurs de faisceau sur puce, convertisseurs de mode adiabatique et plaques d’onde à travers des guides d’ondes à faible perte avec des sections variables, Lumière : science et applications (2022). DOI : 10.1038/s41377-022-00907-4