La nouvelle plate-forme intègre la photonique THz avec des polymères planarisés à faible perte

La photonique intégrée utilise largement des éléments optiques sur puce tels que des sources, des séparateurs, des modulateurs et des guides d’ondes à haut confinement intégrés dans une plate-forme planaire pour traiter et acheminer efficacement les signaux optiques. Il y a un intérêt croissant pour la photonique intégrée Mid-IR et THz pour les télécommunications et la détection. Dans la gamme de fréquences THz, un candidat de premier plan pour l’intégration de source est le laser à cascade quantique THz.

Les progrès récents dans le fonctionnement à haute température de ces dispositifs, combinés à leur agilité en fréquence et à la possibilité de fonctionner comme des peignes de fréquence et des détecteurs à haute vitesse, les rendent très attrayants en tant que blocs de construction cruciaux pour la photonique THz. Certaines des approches précédentes de l’intégration THz comprennent des guides d’ondes plasmoniques hybrides, des émetteurs-récepteurs THz intégrés de manière monolithique, des dispositifs à cavité couplée et, plus récemment, des dispositifs intégrés sur silicium.

Dans un nouvel article publié dans Lumière : science et applicationsune équipe de scientifiques dirigée par le doctorant Urban Senica et le professeur Giacomo Scalari de l’ETH Zurich ont développé une nouvelle plateforme photonique intégrée.

Dans les systèmes photoniques plus complexes, certaines caractéristiques cruciales pour l’intégration laser sont la réduction de la consommation électrique et le couplage efficace aux guides d’ondes passifs à faible perte. Les chercheurs ont proposé une nouvelle plate-forme pour la photonique THz intégrée qui permet la propagation du signal avec des éléments passifs et une intégration de source cohérente pour la détection à large bande et les télécommunications.

Ils ont tiré parti de la présence d’un plan de masse métallique commun, qui a été choisi pour démontrer l’intégration de plusieurs composants photoniques THz actifs et passifs sur la même plate-forme semi-conductrice. Cette approche permet un traitement efficace du signal aux fréquences THz et RF.

Les chercheurs se sont concentrés sur les appareils à large bande et à peigne de fréquence. Ils ont mis en évidence des performances améliorées dans plusieurs facteurs de mérite cruciaux, tels que la dispersion, les RF et les propriétés thermiques. Leur modèle a démontré la co-intégration d’éléments actifs et passifs sur la même puce photonique. Le bloc de construction de base est un guide d’ondes à double métal planarisé haute performance avec une métallisation supérieure étendue. Un guide d’onde similaire s’est déjà avéré très efficace pour les applications THz et micro-ondes.

Dans le cadre des peignes de fréquence THz, les chercheurs ont montré que le contrôle des modes transverses est indispensable pour obtenir un spectre de peigne régulier et plat, avec notamment une réduction des dimensions latérales des crêtes. Cependant, la largeur ne peut pas être arbitrairement petite puisque les guides d’onde sont reliés par soudure filaire directement sur la gaine métallique supérieure. Il limite de manière inhérente la largeur de crête effective aux dimensions de la pastille de fil de liaison. Il rend les appareils avec des arêtes de 50 µm ou moins difficiles à contacter et sujets aux pannes. La liaison directe sur la région active peut introduire des défauts, augmenter les pertes du guide d’ondes et sélectionner involontairement des modes spécifiques, compromettant potentiellement les performances à long terme du dispositif et ses caractéristiques spectrales.

Ces problèmes sont résolus au sein de la plate-forme planarisée de l’équipe. Placer les fils de liaison au-dessus de la métallisation supérieure étendue sur la zone passive recouverte de BCB empêche la formation de défauts ou de points chauds locaux au-dessus de la région active. Il permet la fabrication de guides d’ondes très étroits bien en dessous de la taille du fil de liaison.

La largeur étroite du guide d’ondes peut être utilisée comme mécanisme de sélection efficace pour le mode laser transversal fondamental et est également bénéfique pour la dissipation thermique et le fonctionnement en onde continue (CW) à haute température. De plus, le contact étendu facilite un flux de chaleur latéral et facilite l’extraction de chaleur comme dans un schéma de radiateur. Il en résulte une température de fonctionnement maximale mesurée améliorée des dispositifs planarisés.