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Photonique et quantique : visibilité internationale pour les travaux conduits à Télécom Paris

La photonique intégrée sur silicium (Si) est une technologie d’avenir qui utilise les procédés de fabrication de l’industrie de la microélectronique pour réaliser des composants photoniques performants permettant des communications et des calculs à très haute vitesse.
Les composants quantiques développés à l’Université de Californie Santa Barbara (UCSB) et étudiés à Télécom Paris ont été cités en exemple lors de la grande conférence internationale CLEO US.

La photonique traite de l’étude et de la fabrication de composants permettant la génération, la transmission et le traitement des signaux optiques. La photonique sur Si offre une versatilité supplémentaire avec notamment de nouvelles fonctionnalités et des performances accrues pour les communications optiques à haut débit (centre de données, interconnexions optiques), les calculs à très haute vitesse (super-ordinateurs) et le déploiement de liaisons optiques à très courte portée d’une puce à une autre, d’une carte à une autre, ou d’un rack à un autre.

Bien que le silicium (Si) soit un matériau semi-conducteur très performant pour le guidage de la lumière, il ne permet pas une émission de lumière avec une bonne efficacité radiative. La réalisation de lasers Si repose donc sur l’utilisation de technologies hybrides de collage ou de report d’un matériau actif dit III-V sur du Si passif. Cependant, cette intégration hétérogène présente plusieurs inconvénients, comme par exemple un coût élevé et une évolutivité limitée. De par les nombreuses interfaces et transitions entre régions actives / passives, la stabilité du laser peut s’en trouver fortement affectée, ce qui nécessite l’inclusion d’un isolateur optique. L’isolateur est un composant couramment employé dans les réseaux télécoms fibrés et même dans les lecteurs CD/DVD afin de protéger le laser des réflexions parasites qui peuvent fortement dégrader son fonctionnement et rendre toute transmission d’information impossible.

La conférence internationale CLEO s’est tenue à distance du 11 au 15 mai 2020. Lors de sa conférence plénière d’ouverture, John Bowers, directeur de l’Institut pour l’efficacité énergétique et Professeur à UCSB, a notamment fait le point sur la photonique silicium et les récentes évolutions technologiques. Certains travaux conduits avec Frédéric Grillot, Professeur à Télécom Paris [équipe GTO (Télécommunications optiques)] et Jianan Duan, post-doctorant à Télécom Paris, ont été particulièrement remarqués.

Ces travaux portent sur l’exploitation des technologies quantiques pour la réalisation d’émetteurs optiques ultra-stables. La technique consiste à faire croître directement le matériau actif sur le Si, créant ainsi des nanostructures semi-conductrices avec un confinement des électrons et des trous dans les trois dimensions de l’espace ; ceci leur confère des propriétés proches de celles d’un atome, si bien qu’elles sont parfois appelées « atomes artificiels » que l’on appelle « ilots quantiques » (quantum dots). Dans ses études, Jianan Duan a montré que la grande complétude de ces objets quantiques permet de rendre l’émetteur de lumière complètement insensible au retour de la lumière. Cette découverte permet d’envisager la conception de liens optiques opérant sans isolateur optique ; ce dernier, bien qu’étant indispensable dans les systèmes actuels, s’avère particulièrement onéreux car plus cher que le coût du laser lui-même et technologiquement très difficile à réaliser sur Si. L’équipe envisage désormais d’exploiter le potentiel des îlots quantiques pour la réalisation de sources intégrées de photons intriqués sur Si.

[1] J. Duan, H. Huang, B. Dong, J. C. Norman, Z. Zhang, J. E. Bowers, and F. Grillot, Dynamic and nonlinear properties of epitaxial quantum dot lasers on silicon for isolator-free integration, Photonics Research, vol. 7, p. 1222, 2019.

[2] J. Duan, H. Huang, B. Dong, D. Jung, J. C. Norman , J. E. Bowers, and F. Grillot, 1.3 micron reflection insensitive InAs/GaAs quantum dot lasers directly grown on silicon, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 31, p. 345, 2019.

Lire aussi : deux articles de doctorants plébiscités par les revues Applied Physics Letters et Scientific Reports (Nature)