Les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium (EDFA) sont des dispositifs qui peuvent fournir un gain à la puissance du signal optique dans les fibres optiques. Ils sont souvent utilisés dans les câbles à fibre optique de communication longue distance et les lasers à fibre. Inventés dans les années 1980, les EDFA ont profondément marqué notre société de l’information en permettant d’acheminer les signaux outre-Atlantique et en remplaçant les répéteurs électriques.
Ce qui est intéressant avec les ions erbium dans les communications optiques, c’est qu’ils peuvent amplifier la lumière dans la région de longueur d’onde de 1,55 mm, là où les fibres optiques à base de silice ont la perte de transmission la plus faible. La structure unique de la coque électronique intra-4-f de l’erbium – et des ions de terres rares en général – permet des états excités de longue durée lorsqu’ils sont dopés à l’intérieur de matériaux hôtes tels que le verre. Cela fournit un milieu de gain idéal pour l’amplification simultanée de plusieurs canaux porteurs d’informations, avec une diaphonie négligeable, une stabilité à haute température et un faible bruit.
L’amplification optique est également utilisée dans pratiquement toutes les applications laser, de la détection des fibres et de la métrologie des fréquences aux applications industrielles, y compris l’usinage laser et le LiDAR. Aujourd’hui, les amplificateurs optiques basés sur des ions de terres rares sont devenus le cheval de bataille des peignes de fréquences optiques, qui sont utilisés pour créer les horloges atomiques les plus précises au monde.
L’amplification de la lumière avec des ions de terre rare dans un circuit intégré photonique peut transformer la photonique intégrée. Dans les années 1990, Bell Laboratories étudiait les amplificateurs à guide d’ondes dopés à l’erbium (EDWA), mais les a finalement abandonnés parce que leur gain et leur puissance de sortie ne pouvaient pas correspondre aux amplificateurs à base de fibre, alors que leur fabrication ne fonctionne pas avec les techniques de fabrication d’intégration photonique contemporaines.
Même avec l’essor récent de la photonique intégrée, les efforts renouvelés sur les EDWA n’ont pu atteindre qu’une puissance de sortie inférieure à 1 mW, ce qui n’est pas suffisant pour de nombreuses applications pratiques. Le problème ici a été une perte de fond de guide d’ondes élevée, une conversion ascendante coopérative élevée – un facteur limitant le gain à une concentration élevée d’erbium, ou le défi de longue date consistant à obtenir des longueurs de guide d’ondes à l’échelle du mètre dans des puces photoniques compactes.
Maintenant, des chercheurs de l’EPFL, dirigés par le professeur Tobias J. Kippenberg, ont construit un EDWA basé sur des circuits intégrés photoniques en nitrure de silicium (Si3N4) d’une longueur allant jusqu’à un demi-mètre sur une empreinte à l’échelle millimétrique, générant une puissance de sortie record de plus de 145 mW et fournissant un gain net de petit signal supérieur à 30 dB, ce qui se traduit par une amplification de plus de 1000 fois dans la bande de télécommunication en fonctionnement continu. Cette performance correspond aux EDFA commerciaux haut de gamme, ainsi qu’aux amplificateurs à semi-conducteurs III-V intégrés de manière hétérogène de pointe en photonique sur silicium.
« Nous avons surmonté le défi de longue date en appliquant l’implantation ionique – un processus à l’échelle d’une plaquette qui bénéficie d’une conversion ascendante coopérative très faible, même à une concentration ionique très élevée – aux circuits photoniques intégrés en nitrure de silicium à très faible perte », déclare le Dr Yang Liu, un chercheur au laboratoire de Kippenberg et scientifique principal de l’étude publiée dans La science.
« Cette approche nous permet d’obtenir une faible perte, une concentration élevée d’erbium et un grand facteur de chevauchement mode-ion dans des guides d’ondes compacts avec des longueurs à l’échelle du mètre, qui sont restées non résolues pendant des décennies », explique Zheru Qiu, un Ph.D. étudiant et co-auteur de l’étude.
« Fonctionner avec une puissance de sortie élevée et un gain élevé n’est pas une simple réussite académique ; en fait, c’est crucial pour le fonctionnement pratique de tout amplificateur, car cela implique que tous les signaux d’entrée peuvent atteindre les niveaux de puissance suffisants pour les hautes distances à longue distance. transmission de données à haute vitesse et détection limitée du bruit de tir ; cela signale également que les lasers femtosecondes à haute énergie d’impulsion sur une puce peuvent enfin devenir possibles en utilisant cette approche », déclare Kippenberg.
Cette percée signale une renaissance des ions de terres rares en tant que supports de gain viables dans la photonique intégrée, car les applications des EDWA sont pratiquement illimitées, des communications optiques et LiDAR pour la conduite autonome, à la détection quantique et aux mémoires pour les grands réseaux quantiques. Il devrait déclencher des études de suivi qui couvrent encore plus d’ions de terres rares, offrant un gain optique de la partie visible jusqu’à la partie infrarouge moyen du spectre et une puissance de sortie encore plus élevée.
Yang Liu et al, Un amplificateur dopé à l’erbium basé sur un circuit intégré photonique, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abo2631. www.science.org/doi/10.1126/science.abo2631