Des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) ont récemment annoncé une avancée technologique majeure. Ils ont développé avec succès une nouvelle technologie capable d'obtenir une perte de transmission du signal optique extrêmement faible sur des tranches de silicium, et ses performances se rapprochent même du niveau des fibres optiques traditionnelles dans la bande de lumière visible.
Cette réalisation marque une étape clé dans le domaine des circuits intégrés photoniques (PIC), ouvrant la voie au développement d'une nouvelle génération de dispositifs optoélectroniques dotés d'une excellente cohérence et d'une perte d'énergie extrêmement faible. La recherche détaille une méthode d'utilisation de matériaux à fibres optiques pour construire des chemins optiques directement sur la puce, et l'article correspondant a été publié dans la revue Nature.
Depuis longtemps, la fibre optique est devenue la pierre angulaire des réseaux de communication mondiaux avec son matériau en verre d'une pureté extrêmement élevée et sa surface atomiquement lisse, capable de transmettre des quantités massives de données avec une perte extrêmement faible. Une équipe dirigée par Kerry Vahala, professeur de physique appliquée et de sciences et technologies de l'information au California Institute of Technology, s'est engagée à « transplanter » le processus de fabrication de cette fibre optique sur les tranches de silicium utilisées dans la production de puces informatiques. L'équipe de recherche a utilisé le même matériau en verre germano-silicate que la fibre optique et a utilisé la technologie de photolithographie pour construire un canal de transmission de la lumière appelé « guide d'onde » sur la puce. Afin de résoudre le problème de la rugosité de surface à l'échelle microscopique, les chercheurs ont introduit un processus innovant : placer la puce dans un four à haute température pour un traitement de « refusion », afin que la surface du guide d'ondes soit fondue et lissée au niveau atomique. Ce traitement supprime considérablement la perte de diffusion de la lumière et résout le principal goulot d’étranglement qui a longtemps limité le développement de circuits intégrés photoniques dans la bande de la lumière visible.
Les résultats des tests montrent que les performances de cette nouvelle puce dans la bande proche infrarouge sont équivalentes à la technologie leader actuelle en nitrure de silicium, tandis que dans la bande de lumière visible, ses performances ont réalisé un saut qualitatif, avec une perte réduite à un vingtième du record en nitrure de silicium. Cette propriété de perte ultra faible a un impact profond sur les performances de l'appareil. Par exemple, les lasers construits à l'aide de cette technologie ont des temps de cohérence optique plus de 100 fois plus longs que les versions existantes. Hao-Jing Chen, premier auteur du document de recherche et chercheur postdoctoral à Caltech, a souligné que l'expansion de la couverture de longueur d'onde de cette plate-forme prendra en charge de nombreuses opérations atomiques importantes, permettant ainsi de mettre en œuvre des capteurs atomiques à l'échelle d'une puce, des horloges optiques et des systèmes de pièges à ions.
Bien que la taille de ces puces ne soit que d'environ 2 centimètres, la conception de leur chemin optique interne adopte une structure en spirale, qui étend considérablement la distance de propagation de la lumière dans un petit espace. Kellan Colburn, étudiant diplômé, a expliqué que pour les composants optiques clés tels que les résonateurs en anneau, plus la lumière y circule sur une longue distance, plus les pertes sont faibles et meilleures sont les performances de l'appareil. Chaque fois que la perte est réduite de 10 fois, la cohérence est multipliée par 100. Cette technologie est non seulement aussi polyvalente qu'un « couteau suisse » et peut être largement utilisée dans des domaines allant de la synchronisation de haute précision, à la mesure de rotation (gyroscope) jusqu'à l'informatique et la détection quantiques, mais elle revêt également une grande importance dans la réduction de la consommation énergétique globale de l'infrastructure des serveurs du centre de données. Bien que l'équipe de recherche ait déclaré que les résultats actuels n'ont pas encore atteint l'objectif ultime, les progrès significatifs réalisés au cours des cinq dernières années ont tracé un plan clair pour les futures applications de la technologie photonique.