L'intégration 3D permet des performances ultra-faibles

Nature volume 620, pages 78-85 (2023)Citer cet article

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Les circuits intégrés photoniques sont largement utilisés dans des applications telles que les télécommunications et les interconnexions des centres de données1,2,3,4,5. Cependant, dans les systèmes optiques tels que les synthétiseurs micro-ondes6, les gyroscopes optiques7 et les horloges atomiques8, les circuits intégrés photoniques sont toujours considérés comme des solutions inférieures malgré leurs avantages en termes de taille, de poids, de consommation électrique et de coût. De telles applications de haute précision et hautement cohérentes favorisent l'intégration de sources laser à très faible bruit avec d'autres composants photoniques dans un format compact et robuste (c'est-à-dire sur une seule puce) pour que les circuits intégrés photoniques remplacent les optiques et les fibres en vrac. Deux problèmes majeurs empêchent la réalisation des circuits intégrés photoniques envisagés : le bruit de phase élevé des lasers à semi-conducteurs et la difficulté d'intégrer des isolateurs optiques directement sur la puce. Ici, nous remettons en question cette convention en tirant parti de l’intégration tridimensionnelle qui aboutit à des lasers à très faible bruit fonctionnant sans isolateur pour la photonique sur silicium. Grâce à plusieurs séquences de traitement monolithiques et hétérogènes, l'intégration directe sur puce de guides d'ondes à gain moyen III-V et en nitrure de silicium à très faible perte avec une perte optique d'environ 0,5 décibels par mètre est démontrée. Par conséquent, le circuit intégré photonique démontré entre dans un régime qui donne naissance à des lasers à très faible bruit et à des synthétiseurs micro-ondes sans avoir recours à des isolateurs optiques, grâce à la cavité à facteur de qualité ultra élevé. De tels circuits intégrés photoniques offrent également une évolutivité supérieure pour des fonctionnalités complexes et une production en volume, ainsi qu'une stabilité et une fiabilité améliorées dans le temps. L’intégration tridimensionnelle sur des circuits intégrés photoniques à très faibles pertes marque ainsi une étape critique vers des systèmes et réseaux complexes sur silicium.

Suivant la voie des circuits intégrés électroniques (EIC), la photonique au silicium (Si) promet de permettre la création de circuits intégrés photoniques (PIC) dotés de densités élevées, de fonctionnalités avancées et de portabilité. Bien que diverses fonderies de photonique Si développent rapidement des capacités PIC (permettant la production en volume de modulateurs, de photodétecteurs et, plus récemment, de lasers), les PIC Si n'ont pas encore satisfait aux exigences strictes en matière de bruit laser et de stabilité globale du système imposées par de nombreuses applications telles que les oscillateurs micro-ondes, la physique atomique. et métrologie de précision9,10,11. Les lasers à semi-conducteurs doivent fortement supprimer le bruit d’émission spontanée amplifié pour obtenir une largeur de raie étroite pour ces applications12. Ils nécessiteront également une isolation du reste du système optique, sinon la source laser sera sensible aux rétro-réflexions des composants optiques en aval qui échappent au contrôle du concepteur du PIC13. Dans de nombreuses solutions photoniques intégrées, un isolateur optique massif doit être inséré entre la puce laser et le reste du système, ce qui augmente considérablement la complexité ainsi que le coût d'assemblage et de conditionnement14.

Pour enrichir les capacités des PIC Si et éviter le conditionnement optique multi-puces, les matériaux non-groupe IV doivent être intégrés de manière hétérogène pour permettre la mise en œuvre de dispositifs cruciaux, notamment des lasers, des amplificateurs et des isolateurs hautes performances15,16,17. Il est désormais largement reconnu que les matériaux des groupes III à V sont nécessaires pour fournir un gain optique efficace aux lasers à semi-conducteurs et aux amplificateurs en photonique Si, quelle que soit l'architecture d'intégration, mais des inquiétudes subsistent quant à la création d'une usine complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS). incorporer des matériaux magnétiques, qui sont actuellement utilisés dans les isolateurs optiques conformes aux normes de l'industrie18.

Heureusement, il existe une voie synergique vers un bruit laser ultrafaible et une faible sensibilité de rétroaction, en utilisant des cavités à facteur de qualité (Q) ultraélevé pour les lasers qui non seulement réduisent le bruit de phase, mais améliorent également la tolérance de rétroaction sur les liaisons en aval. Ces effets à l’échelle de la cavité Q et des cavités à ultra-haut Q conféreraient ainsi aux lasers intégrés une cohérence et une stabilité sans précédent. La signification est double. Premièrement, l’intégration directe de lasers à très faible bruit sur des PIC Si sans avoir recours à des isolateurs optiques simplifie la fabrication et le conditionnement des PIC. De plus, cette approche n’introduit pas de matériaux magnétiques dans une usine CMOS car les isolateurs ne sont pas obligatoires pour des PIC aussi complets.