Dispositifs fonctionnels actifs à symétrie Parité-Temps – PARTISYMO

Le projet PARTISYMO vise à ériger un pont ambitieux entre un nouveau concept de physique fondamental récemment introduit en optique, la «symétrie parité-temps», en bref PT-symétrie, et une nouvelle génération de composants d’optique intégrée. En arrangeant le gain et son contraire temporel, l’absorption, suivant les règles de la PT symétrie, plusieurs architectures de blocs élémentaires fonctionnels ont été proposées depuis 2010. Ils ont des propriétés spéciales telles que la réflexion d’un seul côté, ou des « points exceptionnels » : des singularités remarquables dans l’évolution des constantes de propagation des modes utiles.
Plusieurs équipes académiques ont rapporté des structures à PT-symétrie qui incorporent un réseau de pertes périodique ou une section à perte, et qui exhibent des nouvelles fonctionnalités en rapport direct avec le choix d’arrangement spécifique gain/pertes bien au-delà de la simple compensation. Le concept est donc mature pour tenter son transfert à des applications dans le monde réel.
Nous avons de surcroit identifié deux avantages génériques à travailler avec gain et pertes plutôt qu’avec des systèmes électro-optiques classiques de type non-absorbant pour accomplir des fonctions utiles aux télécoms à 1550 nm : (i) il est possible de combiner des fonctions actives (sources) et passives (de type commutation) à partir d’une seule et même multicouche épitaxiale sans le besoin d’une coûteuse reprise d’épitaxie. (ii) la réflectivité d’un seul côté, bien qu’elle appartienne aux effets optiques réciproques, suggère un impact contrôlable des faisceaux d’origine externe sur le laser, et notamment une plus grande immunité à la rétroaction optique, qui constitue une pénalité reconnue des diodes lasers, nécessitant pour s’en affranchir l’insertion d’un isolateur magnéto-optique en grenat.
Dans notre projet, deux laboratoires CNRS (C2N et LCF) s’associent au laboratoire industriel III-V Lab pour atteindre l’objectif d’une preuve de concept en terme de dispositifs d’optique intégrée PT symétriques basés sur InP et mettant en œuvre les deux avantages susmentionnés. On ne saurait trop insister sur l’importance d’un comportement uni-directionnel (réflectivité d’un seul côté) : elle devrait logiquement conduire à une plus grande immunité des largeurs de raies des lasers ainsi que de leur fréquence elle-même vis-à-vis d’une rétroaction optique de la fibre ou de la ligne optique, amenant ainsi à la perspective de diode lasers sans isolateur dans les réseaux à haute performance, au cœur du marché de 2 Md d’euros des diodes lasers télécom. Ces diodes n’auraient pas besoin du placement coûteux d’un isolateur en grenat pour garder l’étroitesse de leur raie et maintenir leur fréquence, et cela jusqu’à un feedback de -15 dB au moins.
Plus spécifiquement, le projet se propose de réaliser deux dispositifs élémentaires d’optique guidée, -- une diode laser immune à la rétroaction et un commutateur électro-optique basé sur la PT-symétrie mettant à profit des guides couplés latéralement, pour ensuite fabriquer leur combinaison intégrée dans le même wafer actif. La couche épitaxiale en question sera surtout utilisée en mode gain et perte. Cela constituerait une première étape vers une nouvelle architecture pour tous les éléments actifs et passifs. Une telle preuve de concept serait aussi un cas de transfert d’innovation d’une idée de physique fondamentale vers un dispositif du monde réel. Elle pourrait être par la suite exploitée pour d’autres types de systèmes où l’accordabilité électro-optique de l’indice de réfraction n’est pas d’un niveau satisfaisant, notamment en plasmonique et en photonique de composants sur verre ou silice (les métaux et les verres ont de mauvaises performances en électro-optique).
Le projet PARTISYMMO a une durée de 3.5 ans et prend en considération le déménagement en septembre 2018 du C2N (ex-LPN et IEF) sur sa nouvelle implantation sur le site de Palaiseau.