Les effets non linéaires dans la photonique sont au cœur de processus optoélectroniques tels que la génération de nouvelles fréquences. Des chercheurs du Laboratoire de systèmes photoniques à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ont mis au point un nouveau principe pour induire de la non-linéarité de second ordre sur des puces en nitrure de silicium. Leurs travaux ont été publiés en ligne dans Nature Photonics le 06 janvier 2022.
La photonique sur silicium veut combiner les promesses de rapidité et de sobriété énergétique de la photonique appliquée au traitement de l’information avec l’efficacité et les coûts réduits des procédés de fabrication de la micro-électronique. Une des limites des puces photoniques ainsi conçues réside dans le fait qu’elles sont fabriquées à partir de matériaux centrosymétriques ou amorphes, tels que le silicium ou le nitrure de silicium, qui ne possèdent aucune susceptibilité non-linéaire du second ordre.
Pour réussir leur tour de force, les scientifiques se sont appuyés sur une technologie développée à l’EPFL et maintenant commercialisée par la société suisse Ligentec SA : des micros résonateurs en nitrure de silicium. Il s’agit de structures microscopiques en nitrure de silicium en forme d'anneau très fin capables de stocker la lumière d’un laser auquel elles sont couplées pendant quelques nanosecondes. Ce laps de temps permet à la lumière de faire le tour de l'anneau des milliers de fois et de s'y accumuler, ce qui accroit l'intensité lumineuse circulant dans l'anneau. En prolongeant la durée d’interaction lumière-matière, l’utilisation de ces micros résonateurs compense la petite taille des puces photoniques qui ne permet pas des interactions sur de longues distances. Et elle permet ainsi d’améliorer l’efficacité de la réponse non-linéaire du matériau.
Autre avantage : les chercheurs ont montré que les ondes qui se propagent à l’intérieur du micro-résonateur interagissent de façon cohérente en modifiant les propriétés du nitrure de silicium. La structure du matériau s’auto-organise en permanence pour compenser les déphasages qui pourraient apparaitre entre la fréquence du laser et les harmoniques générées, et limiter l’efficacité du dispositif. Grâce à ce système, les chercheurs suisses ont réussi à générer des harmoniques de second ordre d’une puissance de 12,5 mW, soit 6 fois plus que la puissance obtenue jusqu’à présent sur des plateformes en nitrure de silicium, avec un rendement de 47,6%.
