Des chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), en collaboration avec le Laboratoire Charles Fabry (LCF) et Telecom SudParis, ont proposé l'utilisation d'un guide d'ondes assisté par un réseau de Bragg en métamatériau 2D pour atteindre une résonance de transparence induite électromagnétiquement (TEI) avec un facteur de qualité ultra-élevé Q~5000 et un contraste >20 dB. Ce concept a ensuite été appliqué à la démonstration de lasers à rétroaction distribuée (DFB) à émission monofréquence, injectés électriquement, dans le domaine des télécommunications NIR. La capacité des métamatériaux à façonner les propriétés de l'émission laser grâce à une propagation de la lumière à faibles pertes basée sur TEI ouvre des perspectives prometteuses. Ces lasers pourraient notamment présenter une robustesse accrue face au retour optique parasite, qui constitue l'un des principaux défis des lasers DFB dans les applications de télécommunications.
Les métamatériaux (MMs) exploitent les propriétés émergentes d'un réseau d'éléments individuels présentant un certain type de résonance, afin de produire des réponses photoniques artificielles absentes des matériaux conventionnels. La forme en réseau 2D, souvent désignée sous le terme de "métasurface", a souvent été privilégiée pour des raisons de faisabilité, permettant l'étude de nouveaux effets en transmission/réflexion sous incidence quasi-normale. Le terme "métasurface" est couramment utilisé pour désigner la majorité de ces réseaux 2D. Les guides d'ondes (WGs), qui constituent des éléments clés de la photonique fonctionnelle, ont également été étudiés en lien avec les métamatériaux. Cependant, les pertes induites par les structures métalliques/plasmoniques, souvent utilisées comme résonateurs élémentaires des métamatériaux, représentent un obstacle majeur, les modes guidés y étant particulièrement sensibles.
Dans une étude publiée en mai 2024 dans la revue Advanced Functional Materials, une équipe du Département Photonique du C2N (CNRS/Univ. Paris-Saclay), en collaboration avec le Laboratoire Charles Fabry (LCF) et Telecom SudParis, a rapporté l'observation d'un effet TEI de type Fano avec un facteur de qualité record : Q~5000 et un contraste >20 dB, dans des guides d'ondes passifs assistés par un réseau de Bragg en métamatériau (MMBG). Cette étude montre que les métamatériaux, lorsqu'ils sont correctement conçus, peuvent permettre des pertes réduites dans de nombreux dispositifs photoniques standards. Contrairement aux réseaux métalliques classiques, les guides d'ondes assistés par MMBG présentent à la fois un fort couplage de réseau et des propriétés de faible perte.
Ce concept a ensuite été appliqué à la démonstration de lasers DFB injectés électriquement et émettant en monofréquence dans le domaine des télécoms NIR. Un point clé est que l'émission laser se produit au pic de TEI, c'est-à-dire au maximum de transmission. Cette approche permet ainsi de traiter l'une des principales problématiques des lasers DFB : le maintien d'une émission monofréquence stable.
Les performances du laser sont à l’état de l’art (Ith<20mA, Pmax>23mW à I=200mA, rapport de suppression des modes latéraux >50 dB, sélectivité de polarisation améliorée >10 dB, tolérance au retour optique > -21 dB, conforme à la norme IEEE 802.3 sans isolateur). L'approche présentée est compatible avec les technologies industrielles existantes et prometteuse pour des applications télécoms à grande échelle. Ces sources laser hautement cohérentes sont également requises dans diverses applications telles que les communications cohérentes, la détection et les circuits photoniques programmables.
La Figure 1a illustre le principe du MMBG, où la TEI résulte de contributions résonantes physiquement séparées mais perçues comme un ensemble par le mode du guide d’ondes. La fabrication et la caractérisation de la structure expérimentale (voir Figure 1b) ont été réalisées au C2N, la caractérisation ayant été menée par le C2N et Telecom SudParis, tandis que la conception et la modélisation ont été effectuées par le C2N* et ses partenaires du LCF.
La réponse spectrale de transmission expérimentale, représentée en Figure 1c pour un guide d'ondes MMG de 3,2 mm de long, met en évidence une résonance TEI marquée à 1607 nm. Comme on peut l'observer, la valeur de transmission au pic de la TEI est plus de 2 dB supérieure au niveau de transmission du guide d’ondes en dehors de la résonance TEI. Cette bande de transmission étroite et à fort contraste pourrait constituer un atout pour une exploitation plus robuste des lasers DFB en monofréquence.
Pour valider ce concept de TEI, la même hétérostructure utilisée pour l’étude passive du guide d’ondes MMBG a également servi à la fabrication d’un “laser TEI” émettant autour de 1,24 µm. Les spectres d'émission d'un laser MMBG sous différents courants d'injection sont représentés en Figure 1d. Ils révèlent une caractéristique TEI clairement visible, en particulier lorsque le courant d'injection est inférieur au seuil (Ith ~ 21 mA). La ligne d’émission laser croît précisément au maximum local d’émission sous-seuil, émergeant au sein d’un creux spectral de quelques nanomètres attribué au MMBG. L’émission laser est monofréquence avec un rapport de suppression des modes latéraux supérieur à 50 dB jusqu'au plus grand courant appliqué (I ~ 3Ith).
*Réalisé dans la Centrale Technologique du C2N (salle blanche), membre du réseau français des grandes infrastructures de haute technologie (RENATECH CNRS).
Références
Electrically injected metamaterial grating DFB laser exploiting an ultra-high Q electromagnetic Induced Transparency resonance for spectral selection
N. Dubrovina1, Y. Liang1, Q. Gaimard1, V. Brac de la Perrière1, K. Merghem1,2, H. Benisty3, A. de Lustrac1,4, A. Ramdane1, A. Lupu1
Advanced Functional Materials, 2024, 34 (45), 2405912.
https://doi.org/10.1002/adfm.202405912
1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (CNRS, Université Paris-Saclay)
2 Telecom SudParis, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France
3 Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, CNRS, Univ. Paris Saclay
4 LEME, UPL, Univ Paris Nanterre, Ville d'Avray, F92410 France
Figure 1
(a) Schéma du guide d'ondes diélectriques assisté par un réseau de RBGMM. Les flèches S1 et S2 représentent les deux modes contre-propagatifs du guide d'ondes. Les flèches S3 et S4 représentent le supermode plasmonique fondamental du réseau MM. Leurs profils (bleu/rouge/marron) sont visibles sur différentes coupes.
(b) Vue MEB du guide d’ondes passif à semi-conducteur III-V assisté RBGMM àbase de fils coupés d'or coupés.
(c) Spectre de transmission d’un guide d’ondes RBGMM de 2 µm de large et 3,2 mm de long dans la région de la TEI. L’encart montre la réponse spectrale sur une gamme de longueurs d’onde étendue. Le cadre rouge indique la région de TEI.
(d) Spectres d’émission d'un DFB à TEI de 1,68 mm de long à différents courants d’injection. La courbe rose pointillée suggère la ligne de base de al réponse spectrale sans TEI.
Contact C2N : Anatole LUPU
