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Le laser sur puce est combiné à un modulateur électro-optique de 50 gigahertz dans du niobate de lithium pour construire un émetteur de haute puissance. Crédit : Second Bay Studios/Harvard SEAS
Malgré toutes les avancées récentes en matière de circuits photoniques intégrés en niobate de lithium – des peignes de fréquence aux convertisseurs et modulateurs de fréquence – un composant important est resté frustrant et difficile à intégrer : les lasers.
Les réseaux de télécommunication longue distance, les interconnexions optiques des centres de données et les systèmes photoniques à micro-ondes reposent tous sur les lasers pour générer une porteuse optique utilisée dans la transmission des données. Dans la plupart des cas, les lasers sont des dispositifs autonomes, extérieurs aux modulateurs, ce qui rend l’ensemble du système plus coûteux, moins stable et moins évolutif.
Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec des partenaires industriels de Freedom Photonics et HyperLight Corporation, ont mis au point le premier laser haute puissance entièrement intégré sur une puce en niobate de lithium, ouvrant ainsi la voie à des systèmes de télécommunication haute puissance, à des spectromètres entièrement intégrés, à la télédétection optique et à une conversion de fréquence efficace pour les réseaux quantiques, entre autres applications.
“La photonique intégrée en niobate de lithium est une plateforme prometteuse pour le développement de systèmes optiques de haute performance à l’échelle de la puce, mais l’intégration d’un laser sur une puce en niobate de lithium s’est avérée être l’un des plus grands défis de conception”, a déclaré Marko Loncar, professeur Tiantsai Lin d’ingénierie électrique et de physique appliquée à SEAS et auteur principal de l’étude. “Dans cette recherche, nous avons utilisé toutes les astuces de nanofabrication et les techniques apprises lors des précédents développements de la photonique intégrée en niobate de lithium pour surmonter ces défis et atteindre l’objectif d’intégrer un laser de forte puissance sur une plateforme en niobate de lithium à couche mince.”
La recherche est publiée dans le journal Optica.
Loncar et son équipe ont utilisé des lasers à rétroaction distribuée, petits mais puissants, pour leur puce intégrée. Sur la puce, les lasers se trouvent dans de petits puits ou tranchées gravés dans le niobate de lithium et délivrent jusqu’à 60 milliwatts de puissance optique dans les guides d’ondes fabriqués sur la même plateforme. Les chercheurs ont combiné le laser avec un modulateur électro-optique de 50 gigahertz dans du niobate de lithium pour construire un émetteur de grande puissance.
“L’intégration de lasers plug-and-play à haute performance réduirait considérablement le coût, la complexité et la consommation d’énergie des futurs systèmes de communication”, a déclaré Amirhassan Shams-Ansari, étudiant diplômé à SEAS et premier auteur de l’étude. “C’est un bloc de construction qui peut être intégré dans des systèmes optiques plus grands pour une gamme d’applications, dans la détection, le lidar et les télécommunications de données.”
En combinant des dispositifs en niobate de lithium en couche mince avec des lasers de haute puissance à l’aide d’un processus convivial pour l’industrie, cette recherche représente une étape clé vers des réseaux d’émetteurs et des réseaux optiques à grande échelle, à faible coût et à haute performance. L’équipe a pour objectif d’augmenter la puissance et l’évolutivité du laser pour des applications encore plus nombreuses.
Référence : “Electrically pumped laser transmitter integrated on thin-film lithium niobate” par Amirhassan Shams-Ansari, Dylan Renaud, Rebecca Cheng, Linbo Shao, Lingyan He, Di Zhu, Mengjie Yu, Hannah R. Grant, Leif Johansson, Mian Zhang et Marko Loncar, 6 avril 2022, Optica.
DOI : 10.1364/OPTICA.448617
L’Office of Technology Development de Harvard a protégé la propriété intellectuelle découlant des innovations du laboratoire Loncar en matière de systèmes de niobate de lithium. Loncar est cofondateur de HyperLight Corporation, une startup qui a été lancée pour commercialiser des puces photoniques intégrées basées sur certaines innovations développées dans son laboratoire.
La recherche a été co-écrite par Dylan Renaud, Rebecca Cheng, Linbo Shao, Di Zhu, et Mengjie Yu, du SEAS, Hannah R. Grant, Leif Johansson de Freedom Photonics et Lingyan He et Mian Zhang de HyperLight Corporation. Ce projet a été soutenu par la Defense Advanced Research Projects Agency sous la subvention HR0011-20-C-0137 et par l’Air Force Office of Scientific Research sous la subvention FA9550-19-1-0376.
