Revisiter le gain et l’amplification Raman dans une plateforme photonique au silicium

Les étoiles émettent de la lumière qui traverse l’espace vide sans atténuation significative. Le signal visuel est essentiellement sans perte jusqu’à ce qu’il soit détecté. Après de nombreuses années et des milliards de kilomètres, les photons de la lumière des étoiles pourraient éventuellement rencontrer l’atmosphère terrestre et être décodés comme un point dans le ciel nocturne par la rétine et le cerveau d’une personne chanceuse.

La lumière émise par un laser de pompe peut souhaiter le même trajet sans perte, mais hélas. Pour les circuits optiques essentiels à l’informatique et à la communication, la lumière est envoyée à travers des guides d’ondes. Dans un guide d’ondes en silicium, la lumière s’atténuera après quelques centimètres. Avec la bonne fibre de verre (silice de quartz non cristalline, un oxyde de silicium), les photons peuvent parcourir des centaines de kilomètres avant que l’atténuation ne devienne trop importante pour le décodage de l’information.

Alors, comment fonctionne le voyage à travers 9 000 km de communications transocéaniques par fibre optique ? Réponse : Tous les dix kilomètres, une section de fibre est chargée d’erbium, un élément de terre rare, qui agit pour amplifier le signal de déplacement. (Oh, et beaucoup de couches protectrices pour la fibre parce que les requins sont connus pour câblage télécom/internet mordant. Les raisons exactes ne sont pas claires.)

Vous penseriez alors que nous aurions la réponse à l’amplification du signal sur un circuit intégré photonique (PIC). Les puces sont relativement petites et le risque d’attaque de requin minime. Hélas, les amplificateurs à guides d’ondes dopés à l’erbium ont dû être abandonnés car leur gain et leur puissance de sortie ne pouvaient pas correspondre aux autres technologies d’amplificateurs. Pire, leur fabrication est incompatible avec les techniques contemporaines de fabrication par intégration photonique.

Ainsi, la voie vers une technologie sans perte pour le PIC est restée un sujet de recherche universitaire au cours des vingt dernières années, même si des technologies « assez bonnes » sont utilisées pour l’amplification/l’amplification des signaux dans les puces d’aujourd’hui et que nous acceptons qu’elles aient besoin de beaucoup d’électricité .

Pour les PIC à base de silicium, les propriétés photophysiques non linéaires se sont révélées les plus prometteuses. Essentiellement, les effets non linéaires permettent la manipulation de la lumière par la lumière. Étant des propriétés intrinsèques, la mise en œuvre sur le comportement non linéaire ne nécessite pas de traitement particulier des matériaux. Il peut être réalisé directement dans un guide d’ondes standard avec la bonne stimulation.

Entrez le travail de collaboration entre les professeurs canadiens Shi et LaRochelle rapporté dans Journal IEEE de sujets sélectionnés en électronique quantique: « Amplificateurs Raman à guide d’ondes submicroniques non réciproques, vers une photonique sur silicium sans perte. » L’équipe tire parti des nouvelles offres de fabrication d’une fonderie qui fabrique des PIC. Les capacités de cette fonderie ont permis à l’équipe de revisiter le gain et l’amplification Raman dans une plateforme photonique silicium.

La diffusion Raman transfère généralement l’énergie des photons d’un laser de pompe aux modes de vibration. Elle est connue des spectroscopistes à la recherche d’une signature spécifique aux matériaux. Ce transfert d’énergie peut augmenter l’intensité d’un signal à l’énergie résonnant avec le mode de vibration du réseau. L’émission Raman stimulée dans le silicium devient un puissant effet non linéaire, en particulier lorsque les dimensions du guide d’ondes sont réduites.

La co-propagation d’un laser de pompe 20-100 mW permet à un signal de conserver son intensité, voire d’être amplifié. En utilisant les mêmes dimensions de guide d’ondes configurées dans un résonateur optique, la même équipe a démontré un effet laser efficace couvrant une gamme de longueurs d’onde étendue autour de 1550 nm.

La bataille pour atténuer les pertes dans un circuit photonique trouve de nombreux angles. À l’instar de l’ingénierie de la fibre de verre, des matériaux à faibles pertes tels que le nitrure de silicium ont été développés et sont essentiels pour les applications où l’amplification n’est pas une option, en photonique quantique par exemple. Les combinaisons de matériaux hybrides apparaissent comme des voies possibles à la fois pour la modulation et l’amplification de la lumière. Les solutions proposées devraient être guidées dans une certaine mesure par son intégration aux méthodes de fabrication établies ainsi que par des modifications intelligentes telles que cette équipe a pu exploiter.