Malgré toutes les avancées récentes dans les circuits photoniques intégrés au niobate de lithium – des peignes de fréquence aux convertisseurs de fréquence et aux modulateurs – un gros composant est resté extrêmement difficile à intégrer : les lasers.
Les réseaux de télécommunication longue distance, les interconnexions optiques des centres de données et les systèmes photoniques à micro-ondes reposent tous sur des lasers pour générer un support optique utilisé dans la transmission de données. Dans la plupart des cas, les lasers sont des dispositifs autonomes, externes aux modulateurs, ce qui rend l’ensemble du système plus coûteux et moins stable et évolutif.
Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec des partenaires industriels de Freedom Photonics et HyperLight Corporation, ont développé le premier laser haute puissance entièrement intégré sur une puce de niobate de lithium, ouvrant la voie pour les systèmes de télécommunication à haute puissance, les spectromètres entièrement intégrés, la télédétection optique et la conversion de fréquence efficace pour les réseaux quantiques, entre autres applications.
« La photonique intégrée au niobate de lithium est une plate-forme prometteuse pour le développement de systèmes optiques à haute performance à l’échelle de la puce, mais placer un laser sur une puce au niobate de lithium s’est avéré être l’un des plus grands défis de conception », a déclaré Marko Loncar, du Tiantsai Lin Professeur de génie électrique et de physique appliquée à SEAS et auteur principal de l’étude. « Dans cette recherche, nous avons utilisé toutes les astuces et techniques de nano-fabrication tirées des développements précédents de la photonique intégrée au niobate de lithium pour surmonter ces défis et atteindre l’objectif d’intégrer un laser haute puissance sur une plate-forme de niobate de lithium à couche mince. »
La recherche est publiée dans la revue Optique.
Loncar et son équipe ont utilisé des lasers à rétroaction distribuée petits mais puissants pour leur puce intégrée. Sur puce, les lasers reposent dans de petits puits ou tranchées gravés dans le niobate de lithium et délivrent jusqu’à 60 milliwatts de puissance optique dans les guides d’ondes fabriqués dans la même plate-forme. Les chercheurs ont combiné le laser avec un modulateur électro-optique de 50 gigahertz en niobate de lithium pour construire un émetteur haute puissance.
« L’intégration de lasers plug-and-play hautes performances réduirait considérablement le coût, la complexité et la consommation d’énergie des futurs systèmes de communication », a déclaré Amirhassan Shams-Ansari, étudiant diplômé à SEAS et premier auteur de l’étude. « C’est un bloc de construction qui peut être intégré dans des systèmes optiques plus grands pour une gamme d’applications, dans la détection, le lidar et les télécommunications de données. »
En combinant des dispositifs de niobate de lithium à couches minces avec des lasers haute puissance à l’aide d’un procédé adapté à l’industrie, cette recherche représente une étape clé vers des réseaux d’émetteurs et des réseaux optiques à grande échelle, à faible coût et hautes performances. Ensuite, l’équipe vise à augmenter la puissance et l’évolutivité du laser pour encore plus d’applications.
Amirhassan Shams-Ansari et al, Émetteur laser à pompage électrique intégré sur du niobate de lithium à couche mince, Optique (2022). DOI : 10.1364/OPTICA.448617