Peignes de fréquence hybride sur puce combinant laser à verouillage de modes à base de batonnets quantiques et microrésonateurs Si3N4 à fort facteur de qualité – HybridCombs

Le projet a réuni des équipes françaises et allemandes spécialisées en photonique, physique des lasers, modélisation numérique et photonique intégrée.

Des modèles théoriques ont d’abord été développés afin de décrire les interactions entre les lasers à batonnets quantiques et les microrésonateurs en nitrure de silicium. Ces outils ont permis d’identifier les conditions nécessaires à la synchronisation des différents composants.

Plusieurs générations de lasers à semiconducteur ont ensuite été conçues, fabriquées et caractérisées. Parallèlement, des circuits photoniques passifs à faibles pertes intégrant des microrésonateurs et des lignes à retard ont été développés.

Pour relier ces composants, le projet a utilisé des techniques avancées d’intégration photonique tridimensionnelle basées sur des guides optiques imprimés en 3D et des micro-lentilles. Ces technologies assurent un couplage efficace entre les puces tout en limitant les pertes optiques.

Enfin, les dispositifs hybrides obtenus ont été soumis à une validation expérimentale approfondie portant sur leur stabilité, leur bruit de phase et leurs performances en transmission optique.

HybridCombs a démontré la faisabilité de peignes de fréquences optiques hybrides associant lasers à semiconducteur et circuits photoniques en nitrure de silicium.

Le principal résultat est la réduction de la largeur de raie optique de plusieurs dizaines de mégahertz à seulement quelques kilohertz grâce à des mécanismes d’auto-injection optique. Cette amélioration représente plus de trois ordres de grandeur en stabilité fréquentielle.

Le projet a également permis d’établir des modèles théoriques précis décrivant les mécanismes de synchronisation de ces systèmes hybrides.

Plusieurs générations de lasers et de circuits photoniques ont été développées et validées expérimentalement. Les technologies d’intégration photonique hybride ont également été démontrées avec succès.

Les performances de ces sources ont été vérifiées dans une expérience de transmission optique cohérente portant sur 18 canaux de communication, pour un débit de transmission agrégé de 15,3 Tbit/s.

Même si la génération de solitons de Kerr n’a pas pu être démontrée dans le cadre du projet, les travaux ont permis d’identifier clairement les verrous à lever et les solutions technologiques pour les futurs développements.

HybridCombs ouvre la voie à une nouvelle génération de peignes de fréquences photoniques compacts, performants et économes en énergie.

Les prochaines étapes porteront sur l’augmentation de la puissance optique disponible, l’obtention d’un fonctionnement non linéaire entièrement synchronisé et la génération de solitons de Kerr intégrés.

Les technologies développées présentent un potentiel important pour les télécommunications optiques à très haut débit, les systèmes LiDAR, la photonique micro-onde, la métrologie optique et les capteurs avancés.

Le projet a également renforcé durablement la coopération franco-allemande dans le domaine de la photonique intégrée et contribué au développement d’expertises européennes dans un domaine stratégique pour les infrastructures numériques de demain.

Les générateurs de peignes de fréquences optiques à l'échelle de la puce peuvent révolutionner de nombreuses applications scientifiques et industrielles. On peut citer en particulier les communications optiques à très haut débit utilisant le multiplexage en longueur d’onde (WDM) massivement parallèle, la télémétrie optique ultra-rapide et le LiDAR, ainsi que le traitement des signaux photoniques-électroniques à très large bande. Toutefois, si les expériences en laboratoire ont montré l'extraordinaire potentiel de ces systèmes, leur viabilité pratique dans des applications réelles reste limitée en raison d’inconvénients majeurs des sources de peignes de fréquences actuellement disponibles. Plus précisément, il n'existe actuellement aucun générateur de peignes capable de fournir des spectres à large bande avec une largeur de raie optique et un bruit de phase faibles, tout en offrant un fonctionnement simple et un rendement énergétique relativement élevé dans un module à l'échelle de la puce.
Le projet HybridCombs vise à surmonter ce manque en explorant, concevant, mettant en œuvre et démontrant expérimentalement une nouvelle classe de sources de peignes de fréquences à l'échelle de la puce, qui associe les avantages distincts des peignes de Kerr à solitons avec ceux des lasers à verrouillage de mode à base de composés III-V de faible dimension. Sur le plan technologique, notre approche s'appuie sur des modules hybrides multi-puces qui combinent des diodes laser à verrouillage de modes à bâtonnets quantiques (QD-MLLD) ou des amplificateurs optiques à semi-conducteurs réflectifs à base de QD (QD-RSOA) avec des circuits photoniques linéaires et non linéaires spécifiquement co-conçus à base de Si3N4, tirant ainsi avantage des atouts complémentaires des deux plateformes d'intégration. Nous établirons un cadre théorique détaillé qui décrit quantitativement le verrouillage par injection multi-tons de QD-MLLD ou de QD-RSOA sur des circuits de rétroaction optique Si3N4 linéaires et non linéaires. Nous concevrons et réaliserons les dispositifs III-V et Si3N4 sous-jacents, et les combinerons au moyen d'éléments de couplage optique avancés imprimés en 3D. Sur la base de ces principes, nous réaliserons des sources hybrides de peignes de fréquences à l'échelle de la puce avec des performances sans précédent en termes de largeur de raie et de consommation énergétique. De même nous démontrerons expérimentalement leur viabilité pratique dans des applications sélectionnées telles que les communications optiques à bande ultra-large, la télémétrie optique ou le traitement du signal photonique-électronique.
Le consortium du projet est composé d'équipes françaises et allemandes de premier plan au niveau international, qui sont dans une position idéale pour aborder la recherche proposée, à la pointe de la science internationale. Nous sommes convaincus que la démonstration réussie de ces sources de peignes de fréquences aura un impact profond sur une série d'applications industrielles et scientifiques qui pourront être efficacement traitées par les partenaires du consortium.