- À l’intérieur d’une puce photonique intégrée, une architecture capable de convertir une seule couleur laser en diverses longueurs d’onde visibles et infrarouges, et de produire différentes longueurs d’onde propres par la seule conception du circuit, a été mise en œuvre
- En empilant en 3D du niobate de lithium et du tantala sur un wafer de silicium, les chercheurs appliquent une méthode qui traite sur une seule puce à la fois la conversion de la couleur de la lumière et le contrôle électrique
- Les horloges quantiques et les ordinateurs quantiques ont besoin de couleurs laser spécifiques selon les atomes, mais le volume, le coût et la consommation électrique des équipements existants limitent fortement leur usage sur le terrain
- Environ 50 puces de la taille d’un ongle et un total de 10�00 circuits photoniques ont été intégrés sur un seul wafer, chaque circuit émettant une couleur différente, et le laboratoire a confirmé la conversion de l’infrarouge en lumière visible
- Cette voie de fabrication, susceptible de mener à des systèmes photoniques peu coûteux et portables, met en avant des possibilités d’extension non seulement pour les technologies quantiques, mais aussi pour les communications entre puces pour l’IA et les affichages de réalité virtuelle
Progrès des circuits photoniques intégrés
- Des puces photoniques ont été réalisées en empilant sur un wafer de silicium des motifs complexes de matériaux spéciaux, afin de déplacer la lumière et traiter l’information comme sur une puce électronique
- Ces puces utilisent des composants optiques comme des lasers, des guides d’onde, des filtres et des commutateurs pour transmettre et traiter la lumière à l’intérieur du circuit
- Elles peuvent contribuer à des technologies émergentes comme l’IA, les ordinateurs quantiques et les horloges atomiques optiques
- Les circuits utilisant des photons plutôt que des électrons possèdent des caractéristiques différentes pour la transmission et le traitement de l’information
- Les photons se déplacent à travers les circuits bien plus vite que les électrons
- La lumière laser est un élément essentiel pour le contrôle de technologies quantiques comme les horloges atomiques optiques et les ordinateurs quantiques
- L’un des principaux obstacles à la diffusion de la photonique intégrée est la limitation des longueurs d’onde laser
- Les lasers de haute qualité, compacts et à haut rendement n’existent que pour un petit nombre de longueurs d’onde
- Les lasers à semi-conducteurs sont particulièrement adaptés à la génération d’infrarouge à 980 nanomètres, une couleur située juste au-delà du spectre visible pour l’être humain
- Les horloges atomiques optiques et les ordinateurs quantiques nécessitent de nombreuses autres couleurs laser
- Les lasers existants capables de produire ces couleurs sont grands, coûteux et énergivores, ce qui confine de fait ces technologies quantiques à un petit nombre de laboratoires spécialisés
- L’intégration des lasers dans les circuits de puce laisse espérer une transition vers des technologies quantiques moins coûteuses et portables
- Avec la possibilité de les étendre à des applications réelles hors laboratoire
Méthode d’empilement multicouche
- La nouvelle puce photonique est fabriquée selon une structure en couches superposées
- Le point de départ est un wafer de silicium standard recouvert de silicium, de dioxyde de silicium (verre) et de niobate de lithium, capable de modifier la couleur de la lumière entrante
- L’ajout de pièces métalliques permet de contrôler électriquement la manière dont le circuit convertit une couleur de lumière en une autre
- Une interface métal–niobate de lithium distincte a été créée afin d’activer et de désactiver rapidement la lumière à l’intérieur du circuit
- Cette capacité constitue un élément clé du traitement des données et du routage à haute vitesse
- Une deuxième matière non linéaire, le pentoxyde de tantale (tantala), est appliquée sur la couche supérieure
- Le tantala peut recevoir une seule couleur laser en entrée et la convertir en toute la gamme visible de l’arc-en-ciel ainsi qu’en une large plage de longueurs d’onde infrarouges
- Pendant plusieurs années, les chercheurs ont développé une technologie permettant d’en faire des circuits sans chauffer ce matériau, ce qui rend possible son dépôt sans dommage sur d’autres matériaux
- En façonnant différents matériaux par empilement 3D, ils ont fabriqué une puce unique qui achemine efficacement la lumière entre les couches
- Cela combine la capacité de conversion lumineuse du tantala et la contrôlabilité du niobate de lithium
- La possibilité d’ajouter du tantala à des circuits existants constitue un atout majeur
- Environ 50 puces de la taille d’un ongle et 10�00 circuits photoniques au total ont été intégrés sur un seul wafer
- Chaque circuit produit une couleur propre différente
- Il est possible de générer diverses couleurs uniquement par la conception du circuit
Besoin de lasers adaptés à chaque longueur d’onde
- Les horloges quantiques et les ordinateurs quantiques utilisent souvent des réseaux d’atomes pour stocker et traiter l’information
- Chaque type d’atome nécessite un laser correspondant à ses niveaux d’énergie quantique internes
- Les atomes de rubidium réagissent à une lumière rouge de 780 nanomètres
- C’est un exemple d’atome couramment utilisé dans les ordinateurs quantiques et les horloges
- Les atomes de strontium réagissent à une lumière bleue de 461 nanomètres
- Si on les éclaire avec une autre couleur, il ne se passe rien
- Le volume, le coût et la complexité des lasers existants capables de produire ces couleurs sur mesure constituent un obstacle majeur au déploiement sur le terrain des ordinateurs quantiques et des horloges optiques
- C’est une contrainte importante pour leur sortie du laboratoire
Possibilités d’application
- Des horloges optiques peu coûteuses, sobres en énergie et portables pourraient avoir des usages potentiels dans de nombreux domaines
- Elles pourraient aider à prévoir les éruptions volcaniques et les séismes
- Elles pourraient offrir une alternative au GPS pour le positionnement et la navigation
- Elles pourraient soutenir l’exploration d’énigmes scientifiques comme la nature de la matière noire
- Les ordinateurs quantiques pourraient offrir de nouvelles approches pour l’étude de la physique et de la chimie des médicaments et des matériaux
- Les usages des circuits photoniques intégrés ne se limitent pas aux technologies quantiques
- Ils pourraient aider à transmettre efficacement les signaux entre les puces spécialisées utilisées par les entreprises technologiques
- Ils pourraient contribuer à rendre les outils basés sur l’IA plus puissants et plus efficaces
- Les entreprises technologiques s’intéressent aussi à la photonique pour améliorer les affichages de réalité virtuelle
Voie vers la commercialisation
- La puce actuelle n’est pas encore prête pour la production de masse
- Mais la technique de fabrication elle-même fournit une trajectoire pour l’avenir
- Une collaboration est en cours avec Octave Photonics pour faire évoluer la technologie
- Une startup basée à Louisville, dans le Colorado
- Fondée par d’anciens chercheurs du NIST, elle travaille à la montée en échelle de la technologie
Caractéristiques visuelles et expérimentales
- Une petite puce rectangulaire de la taille d’un ongle intègre de nombreux circuits capables de changer la couleur de la lumière laser
- Sur la photo, un circuit est montré en train de convertir un infrarouge invisible en lumière bleue visible
- Une pièce de dime est utilisée pour donner l’échelle
- La puce fondée sur l’optique non linéaire peut inclure des lasers de dizaines de couleurs
- En laboratoire, il a été confirmé que la puce reçoit une lumière invisible et produit de nombreuses lumières visibles
- Une démonstration intuitive des diverses applications possibles au sein d’une seule puce intégrée
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