Supercontinuum reconfigurable intégré sur puce – ELECTRODE

Le projet Electrode s’articule autour des quatre tâches principales :

T1/ la modélisation des guides d'ondes non-linéaires.

T2/ la fabrication des guides

T3/ leur caractérisation ainsi que leur utilisation pour la génération de supercontinuum

T4/ l'étude de l'aspect thermo-optique pour des guides reconfigurables.

Plus précisément, la tâche 1 (T1) consiste à déterminer les dimensions des guides à partir de la connaissance des indices de réfraction des matériaux. Puis, la résolution numérique de l'équation

de Schrödinger non-linéaire permet de prévoir les effets non-linéaires. Et des simulations multiphysiques aident à anticiper les effets thermo-optiques.

La tâche 2 (T2) qui est alimentée par la tâche 1 permet la fabrication des guides d'ondes par les méthodes standards c'est-à-dire lithographie électronique ou UV et gravure. Une grande partie consiste aussi à developper les 'recettes' de dépôt des couches des nouveaux matériaux avec la bonne structure ou morphologie.

La tâche 3 (T3) correspond à la caractérisation linéaire (pertes de propagation, pertes de courbure, dispersion) et non-linéaire (indice non-linéaire et génération de supercontinuum).

Enfin, la tâche 4 (T4) s'interesse aux dispositifs reconfigurables. Pour cela, il y a une partie de caractérisation des matériaux pour mesurer les coefficients thermo-optiques puis après la fabrication (en T2), la génération de supercontinuum thermo-reconfigurables.

L’optimisation des couches de dioxyde de titane (TiO₂) déposées par ICP‑CVD a fait l’objet d’une étude paramétrique complète, publiée ici: doi.org/10.3390/ma15072578. Cette étude a permis d’identifier les conditions favorisant la formation des différentes phases cristallines, amorphe ou anatase. Les couches ainsi obtenues présentent des indices de réfraction ajustables entre 2,1 et plus de 2,6 après recuit à 600 °C. Par ailleurs, les pertes de propagation, initialement mesurées à 4 dB/cm après gravure ionique réactive, ont pu être significativement réduites dans les meilleures conditions de dépôt.

La plateforme de nitrure de silicium enrichi en silicium (SiRN) est désormais pleinement opérationnelle. Comme pour le TiO₂, la composition du matériau peut être ajustée en fonction de l’indice visé. Les structures obtenues présentent des pertes optiques de l’ordre de 3 dB/cm, des valeurs comparables à celles rapportées par les principaux laboratoires internationaux. Un supercontinuum s’étendant de 1300 nm à 1900 nm a également été démontré sur cette plateforme, nous plaçant au niveau de l’état de l’art.

Enfin, les coefficients thermo‑optiques de ces deux plateformes ont été mesurés par ellipsométrie et confirmés à l’aide de résonateurs optiques. Les valeurs obtenues ont confirmé la possibilité de moduler un supercontinuum de manière thermique, ouvrant la voie à la reconfigurabilité de dispositifs photoniques intégrés.

À court terme, les perspectives portent sur la réalisation effective de guides d’onde hybrides combinant dioxyde de titane (TiO₂) et nitrure de silicium enrichi (SiRN). Les résultats préliminaires ont confirmé la faisabilité structurelle de ces dispositifs, mais il faut encore davantage réduire les pertes optiques et caractériser précisément les performances non-linéaires.

Parallèlement, des approches de fabrication alternatives devront être évaluées dans le contexte de la génération de supercontinuum sur puce. Parmi les pistes explorées figurent la lithographie UV sans masque, les techniques de dépôt sol‑gel couplées à des procédés de nano‑impression, ainsi que l’impression 3D à l’échelle nanométrique.

Pour les supercontinua, les puces optiques permettraient l’émergence de dispositifs à faible coût et à faible encombrement tout en permettant d'aller plus loin dans l'infrarouge moyen. C’est pourquoi divers matériaux ont été étudiées avec succès. Chacun présente des avantages mais aussi de fortes limitations potentielles. Ce projet propose deux alternatives : le nitrure de silicium ultra-riche en silicium (USRN) et le dioxyde de titane (TiO2). En effet, les deux sont peu coûteux et supportent des puissances élevées. Les indices linéaire et non linéaire sont relativement élevés, ce qui permet d’exacerber les effets non linéaires. Ainsi, le projet se concentrera d'abord sur le développement de guides d'ondes à faibles pertes. ELECTRODE propose aussi d'envisager des variation topologiques des guides qui permettront l’élargissement de l'UV au moyen IR. Au-delà de ces variation géométriques, le projet envisagera des dispositifs thermo-optiques reconfigurables.