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Jul 02, 2023

4 avril 2023

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par Compuscript Ltd

La photonique intégrée progresse vers l'hébergement d'une gamme croissante de fonctionnalités sur une puce. Les exemples incluent le traitement et le calcul de l'information ainsi que les applications de détection et de télémétrie optiques. Cela a stimulé les progrès des sources de lumière laser intégrées, qui sont nécessaires pour que les puces photoniques deviennent des dispositifs véritablement autonomes. Ainsi, l'isolation sur puce devient également importante pour supprimer la rétroaction préjudiciable à leur fonctionnement.

Les dispositifs optiques non réciproques peuvent être réalisés en utilisant trois méthodes : la polarisation magnétique, la non-linéarité optique et la modulation spatio-temporelle. La polarisation magnétique est intrinsèquement à large bande mais nécessite des matériaux magnéto-optiques avec perte. Les dispositifs non linéaires non réciproques sont réalisables de manière monolithique dans certains matériaux, mais leur fonctionnement est compliqué par la dépendance à la puissance d'entrée. À l'inverse, les isolateurs qui exploitent la modulation spatio-temporelle n'ont pas de tels problèmes de mise à l'échelle de puissance et peuvent facilement être intégrés de manière monolithique, en particulier sur des plates-formes présentant d'excellentes caractéristiques électro-optiques, telles que le niobate de lithium sur isolant (LNOI).

Dans cette contribution, un fonctionnement non réciproque est obtenu en utilisant une modulation spatio-temporelle de deux déphaseurs à ondes progressives en cascade. Le signal hyperfréquence appliqué aux modulateurs et à la ligne à retard garantit que leur effet sur la lumière se propageant vers l'avant s'annule de sorte que sa signature spectrale reste inchangée. Cependant, la puissance optique à propagation inverse est dispersée spectralement vers les bandes latérales, qui sont ensuite supprimées par un filtre résonateur en anneau, permettant une isolation optique de 27 dB.

Le niobate de lithium, en raison de sa large transparence spectrale, de ses capacités de gestion de puissance élevée et de ses fortes propriétés non linéaires et électro-optiques, est resté pendant des décennies un matériau de base dans l'optique non linéaire et les communications par fibre optique. L'émergence relativement récente du niobate de lithium sur isolant à couches minces (LNOI), en tant qu'analogue direct de la photonique au silicium sur isolant, a permis la création de guides d'ondes au niobate de lithium avec des confinements de mode serrés, qui permettent également une photonique densément intégrée à l'échelle de la tranche.

Les réalisations remarquables récentes sur LNOI incluent des peignes de fréquence électro-optiques efficaces ainsi que des modulateurs fonctionnant à des niveaux de tension CMOS, cependant, les perspectives à long terme pour la photonique LNOI sont vastes et incluent le LiDAR entièrement intégré, les réseaux de neurones optiques ou les dispositifs de traitement du signal RF pour n'en nommer que quelques-uns. Les conditions préalables essentielles à de tels développements sont les techniques émergentes d'intégration hétérogène de sources lumineuses cohérentes sur puce, qui doivent être isolées de la rétroaction du reste du circuit pour assurer leur fonctionnement stable.

Pour résoudre ce problème, le groupe de recherche du professeur distingué Arnan Mitchell de l'université RMIT réalise des isolateurs intégrés dans la plate-forme de guide d'ondes LNOI. Les résultats sont publiés dans la revue Opto-Electronic Science.

Leur dispositif, représenté sur la micrographie de la figure 1 (a), a été fabriqué à l'aide d'une approche de guide d'ondes LNOI chargée, dans laquelle le contraste d'indice de réfraction pour le confinement de la lumière est obtenu non pas en gravant du niobate de lithium, mais en traitant une couche de nitrure de silicium qui est déposée sur la plaquette LNOI. La conception de l'isolateur est basée sur une approche de modulateur en tandem dans laquelle deux sections de modulateur de phase à onde progressive identiques sont connectées en série et séparées par une ligne à retard en boucle. Les modulateurs sont pilotés à la même fréquence de signal harmonique mais avec un décalage de phase, de sorte que pour la lumière se propageant vers l'avant, les deux modulateurs se contrecarrent et la lumière porteuse de longueur d'onde de 1550 nm quitte l'appareil sans modification.

Pour la propagation inverse, cet équilibre établi par la ligne à retard et le déphasage du signal modulant n'est pas valable, d'où l'action des deux modulateurs en cumul et disperse spectralement l'énergie porteuse en plusieurs bandes latérales. L'entrée de l'appareil est filtrée à travers un résonateur d'hippodrome qui est adapté à la fréquence porteuse mais conçu pour rejeter toutes les bandes latérales spectrales induites par la modulation.

Le test du dispositif en injectant le support optique dans les sens aller et retour a révélé le fonctionnement non réciproque du dispositif. La courbe bleue de la figure 2 (a) montre le spectre de transmission du résonateur de l'hippodrome, qui laisse passer les porteuses optiques ayant la même fréquence de résonance. La courbe rouge montre le cas où la lumière arrière a été modulée mais sans être filtrée par le résonateur de l'hippodrome. La fréquence d'origine des porteuses arrière a été supprimée et sa puissance a été transférée aux bandes latérales.

La figure 2 (b) montre que la lumière arrière a été modulée et filtrée par un résonateur de circuit, ce qui signifie que la lumière a été fortement dispersée spectralement et est redirigée sans pouvoir passer le filtre annulaire. La figure 2 (c) montre qu'en propagation directe, la majeure partie de la puissance optique reste confinée dans la porteuse et seule une puissance minimale est transférée vers les bandes latérales. La force d'isolement a été quantifiée en mesurant le rapport de transmission de puissance entre le fonctionnement avant et arrière, ce qui a donné un isolement de 27 dB.

Ce résultat est parmi les taux d'isolement basés sur la modulation spatio-temporelle les plus élevés obtenus sur n'importe quelle plate-forme à ce jour. La suppression démontrée de la lumière à propagation inverse rend ces isolateurs adaptés à l'intégration avec des diodes laser III-V et des sections de gain dopées à l'erbium dans la plate-forme de guide d'ondes en niobate de lithium à couche mince sur isolant.

Plus d'information: Haijin Huang et al, Isolateur spatio-temporel en niobate de lithium sur isolant, Opto-Electronic Science (2023). DOI : 10.29026/oes.2023.220022

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