Un amplificateur optique haute performance pour microdispositifs

L'amplificateur haute puissance (Image : DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen)

Des chercheurs du DESY ont réalisé un amplificateur optique haute puissance de la taille d’un millimètre avec plus d’un watt de puissance de sortie sur des microchips optiques à base de silicium. Cette puissance de sortie est un multiple de ce qui était jusqu’à présent réalisable à cette échelle minuscule et permet l’utilisation d’amplificateurs haute puissance intégrés dans le cadre de la photonique intégrée, plutôt que d’amplificateurs externes. Ainsi, des dispositifs et capteurs miniaturisés, beaucoup plus simples et économiques à exploiter, pourraient être utilisés, comme c’est déjà le cas en chirurgie médicale, en télédétection par laser, en télécommunications, mais aussi dans des circuits optiques pour de futurs accélérateurs et sources de rayons X, de plus en plus courants. Les chercheurs ont désormais confirmé expérimentalement que ces amplificateurs haute puissance très compacts sont possibles, comme ils le rapportent dans la revue Nature Photonics.

Les amplificateurs haute puissance sont des composants critiques dans les systèmes optiques modernes. « Pour pouvoir les utiliser plus largement, ces systèmes doivent être très petits, à l’image de la microélectronique — idéalement dans la gamme du millimètre — tout en conservant une performance équivalente. De plus, ils doivent pouvoir être produits en masse et donc peu coûteux », explique le premier auteur de l’étude, Neetesh Singh, qui travaille dans le groupe du DESY pour la physique des lasers ultra-courts et des rayons X au Centre pour la science du laser à électrons libres (CFEL). La miniaturisation rencontre cependant des limites, car un système optique ne peut stocker et fournir moins d’énergie et de puissance que sa taille ne le permet. Jusqu’à présent, il n’a pas été possible de construire de tels amplificateurs optiques haute puissance suffisamment petits pour être intégrés sur un microchip. À la place, ces microsystèmes dépendaient jusqu’ici d’amplificateurs externes beaucoup plus grands, installés sur des bancs de test.

Dans la nouvelle étude, cependant, l’équipe de Singh a utilisé pour la première fois un guide d’onde à grande zone modale (LMA), qu’elle avait spécialement développé, pour amplifier un signal lumineux dans un espace extrêmement réduit. La clé réside dans la section transversale du champ électrique guidé par le guide d’onde, appelé « mode ». Lors des expériences actuelles, l’équipe de Singh a réussi à augmenter la section transversale de ce mode dans un guide d’onde photonique en nitrure de silicium et en oxyde d’aluminium, passant d’un seul à 30 micromètres carrés. Ainsi, la puissance de sortie, initialement de quelques dizaines de milliwatts, a été portée à plus d’un watt.

Ce progrès est dû à une conception sophistiquée de la surface du microchip, qui ne fait que quatre millimètres carrés, sur laquelle le signal lumineux est acheminé par un guide d’onde étroit en nitrure de silicium, recouvert d’une couche contrôlée d’oxyde d’aluminium. Le guide d’onde en nitrure de silicium peut traverser plusieurs fois une région appelée « LMA ». Le signal optique, au départ faible et de petite taille, circule d’abord dans le guide d’onde photonique. Ensuite, il traverse une zone de réduction de la taille du guide, conçue de manière ciblée. « Cela pousse la mode hors du guide d’onde, en augmentant considérablement sa section transversale, et elle flotte comme un nuage au-dessus de la couche d’oxyde d’aluminium située au-dessus du guide », explique Singh. « Tout en restant reliée au guide d’origine comme un ballon chaud à son panier. »

La couche d’oxyde d’aluminium est remplie d’ions de thulium, qui sont mis dans un état excité — c’est-à-dire riche en énergie — par une « pompe optique » externe, un laser. Ces ions interagissent alors avec les photons du signal dans une zone appelée « Large Mode Area » ou « zone LMA ». Et parce que la mode est maintenant si grande, les photons peuvent échanger de l’énergie avec un grand nombre d’ions excités, leur en arrachant de l’énergie : « Comme un grand chasse-neige peut déblayer plus de neige en un seul passage qu’une petite pelle, une grande mode peut contenir plus d’ions », explique Singh.

Les chercheurs renforcent encore le signal en le faisant passer plusieurs fois dans la zone LMA. Pour cela, le guide d’onde s’élargit à nouveau, ramenant la « nuage » de signal flottant au sein du guide étroit en nitrure de silicium, effectue un virage à 180 degrés en bord de microchip, puis le fait repasser dans la zone LMA, où il se réduit à nouveau, ce qui permet à la mode d’être à nouveau comprimée dans la couche énergique pour capter encore plus de puissance.

Au final, cela permet d’obtenir un signal beaucoup plus puissant qu’au départ, et ce, dans un espace réduit, intégré sur un microchip. La qualité du signal est également conservée. Les amplificateurs externes deviennent ainsi inutiles dans de nombreux systèmes, ce qui rend ces systèmes non seulement plus petits, mais aussi moins coûteux et plus fiables : « Notre micro-amplificateur haute puissance basé sur la LMA en silicium nous permettra à l’avenir d’intégrer des circuits optiques complexes à haute puissance de sortie, comme nous le faisons depuis longtemps en microélectronique. Cela nous permettra de fabriquer à moindre coût, avec une grande fiabilité, des systèmes optiques complexes pour des accélérateurs, des sources de rayons X ou d’autres applications », souligne Franz Kärtner, responsable du groupe de physique des lasers ultra-courts et des rayons X, également professeur de physique à l’Université de Hambourg.

Ce travail de recherche a été financé par le programme européen d’innovation EIC-Pathfinder « Femtochip » ainsi que par le programme thématique 2111 de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) : « Traitement ultrarapide du signal par la technologie nanophotonique / électonique », projet PACE (403188360). La fabrication extensive a été réalisée en collaboration avec la société LIGENTEC, SA en Suisse, et le groupe de Sonia M. Garcia-Blanco à l’Institut MESA+ de l’Université de Twente aux Pays-Bas, voir aussi https://www.femtochip.eu/.

Le numéro DOI de la publication originale « Watt-class silicon photonics-based optical high-power amplifier » est 10.1038/s41566-024-01587-9 : https://www.nature.com/articles/s41566-024-01587-9