Une équipe de chercheurs du C2N en collaboration avec STMicroelectronics a démontré une génération de lumière super-continuum couvrant deux octaves dans la bande O, une gamme de longueurs d’onde propice aux communications optiques. Ce sont les premiers résultats obtenus à l'aide d'un guide d'onde en nitrure de silicium sur une plateforme industrielle compatible avec les procédés de fabrication CMOS.
Au cours des dernières décennies, des efforts considérables ont été déployés pour développer de nouvelles technologies de communication optique hautes performances. Dans ce domaine, l'optique non-linéaire attire l'attention car elle offre de nombreux effets physiques, tels que la conversion de fréquence, utiles pour les communications optiques, l’imagerie ou l’amplification pour ne citer que quelques exemples. La génération de supercontinuum, consistant en un important élargissement du spectre d'une impulsion laser, tire aussi parti des effets non-linéaire optiques et permet la réalisation de sources de lumière cohérentes à large bande. Bien que cet effet ait été largement étudié dans les fibres optiques, il serait hautement souhaitable de pouvoir l'exploiter dans des circuits intégrés compacts et économiques. La photonique sur silicium, c’est-à-dire l'intégration de fonctionnalités optiques sur des substrats monolithiques de silicium compatibles avec l’électronique, pourrait répondre à cette demande car elle bénéficie de la maturité de l'industrie CMOS. Plusieurs groupes de recherche ont travaillé sur le développement de dispositifs photoniques non-linéaires intégrés dans des matériaux compatibles CMOS, tels que le nitrure de silicium. Cependant, si la génération de super-continuum à bande extrêmement large a bien déjà été obtenue sur cette plate-forme, la fabrication de films en nitrure de silicium de haute qualité nécessite des étapes de dépôt à haute température, ce qui la rend incompatible avec les procédés CMOS en fin de lignes de fabrication industrielle. Quelques groupes de recherche ont trouvé des moyens de fabriquer des sources super-continuums compatibles avec les lignes de fabrication industrielle CMOS fonctionnant dans la bande C (une des deux gammes de longueurs d’onde propices aux communications, avec des longueurs d'onde comprises entre 1535 nm et 1565 nm), mais aucun résultat significatif n'a encore été démontré dans la bande O (la seconde gamme de longueurs d’onde propice aux communications, avec une longueur d'onde comprise entre 1260 nm et 1360 nm).
Dans un travail publié dans la revue Photonics Research, une équipe de chercheurs du C2N, en collaboration avec STMicroelectronics, a réussi à démontrer la génération de lumière super-continuum couvrant pour la première fois deux octaves dans la bande O à l'aide d'un guide d'onde en nitrure de silicium.
L’expérience a été réalisée au C2N, en utilisant un laser pulsé femto-seconde accordable pour pomper le guide d'onde à une longueur d’onde de 1200 nm, avec une puissance de crête couplée à l'intérieur du guide d'onde allant de 250 W à 9,5 kW. Le film de nitrure de silicium qui a été utilisé dans les expériences a été fabriqué sur une plate-forme industrielle de 300 mm à STMicroelectronics par un flux de procédés à basse température (<500 °C). Les guides d'ondes ainsi fabriqués présentent une perte de propagation aussi faible que 0,4 dB/cm grâce à l'utilisation de nitrure de silicium riche en azote, ce qui réduit l'absorption du matériau dans la gamme de longueurs d'onde de la bande O. Il s'agit à notre connaissance de la première démonstration d'une source super-continuum compatible avec les procédés de fabrication industrielle de fin de lignes CMOS dans la bande O. Les résultats expérimentaux sont cohérents avec les simulations numériques qui ont été effectuées au C2N grâce à un code maison intégrant l'équation de Schrödinger non linéaire généralisée qui décrit la propagation des impulsions dans le guide de nitrure de silicium. La cohérence du spectre de la source supercontinuum a été étudiée numériquement, montrant la possibilité d'obtenir une source hautement cohérente en utilisant des guides d'ondes de seulement 2 mm. Les résultats obtenus sont comparables avec ceux des sources super-continuums à l’état de l’art mais fabriquées sur un guide d'onde en nitrure de silicium via des procédés à haute température. Cependant, la plate-forme développée par les chercheurs et ingénieurs du C2N et de STMicroelectronics a le grand avantage d'être compatible avec les lignes de fabrication industrielle CMOS.
Ces résultats montrent comment la polyvalence de la plate-forme en nitrure de silicium permet la conception de dispositifs intégrés photoniques non-linéaires utilisant des procédés industriels. De telles sources supercontinuums sont utiles pour réaliser des sources de peignes de fréquences auto-référencés sur puce pour la métrologie de fréquences, ou pour les communications optiques de hautes capacités utilisant un multiplexage dense en longueurs d'ondes.
Référence :
Broadband supercontinuum generation in nitrogen-rich silicon nitride waveguides using a 300 mm industrial platform
Christian Lafforgue1, Sylvain Guerber1,2, Joan Manel Ramirez3, Guillaume Marcaud1, Carlos Alonso-Ramos1, Xavier Le Roux1, Delphine Marris-Morini1, Eric Cassan1, Charles Baudot2, Frédéric Boeuf2, Sébastien Cremer2, Stéphane Monfray2 et Laurent Vivien1
Photonics Research (2020)
DOI : https://doi.org/10.1364/PRJ.379555
1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS, Université Paris-Saclay), Palaiseau
2 STMicroelectronics, Crolles, France
3 III-V lab, a joint venture from Nokia Bell Labs, Thales and CEA, France
Contacts :
- Christian Lafforgue, Doctorant au C2N
- Laurent Vivien, Directeur de recherche CNRS au C2N
Figure : (a) Vue MEB d'un guide d'onde en spirale. (b) Image optique de dessus d'un guide d'onde en spirale de 8 mm de long dans lequel la génération de supercontinuum s'est produite. (c) Spectres expérimentaux (noir) et simulé (vert) pour différentes puissances de crête d'entrée. Les courbes sont décalées arbitrairement pour une meilleure compréhension. Crédits : C2N / C. Lafforgue et al.
