Nanophotonique en carbure de silicium compatible CMOS pour l'intégration de fonctionnalités non linéaires du 2e et 3e ordre – SiCPhot

Au cours des deux dernières décennies, les circuits intégrés photoniques (PIC) ont connu d'énormes développements car ils offrent des possibilités presque inégalées pour les systèmes de communication, l'optique quantique, ou la métrologie. Ces applications repose sur une manipulation et un contrôle efficaces de la lumière à l'échelle de la puce. C'est plus particulièrement le cas pour la génération, la conversion et la modulation de la lumière. Les propriétés essentielles sont l'utilisation d'effets non linéaires de deuxième (?(2)) ou troisième (?(3)) ordre. L'exploitation efficace des fonctionnalités optiques non linéaires est donc d'une importance capitale. Toutefois, cela nécessite des matériaux présentant de bonnes propriétés optiques linéaires et non linéaires et assurant une compatibilité avec la technologie CMOS mature et fiable. Les plates-formes standard à base de Si et SiN se distinguent par leur maturité, mais manquent de ?(2) en raison de leurs structures centrosymétriques. En outre, le Si présente une forte absorption à deux photons qui limite l'efficacité non linéaire. Dans ce contexte, la recherche du ?(2) a poussé le développement d'autres plateformes, y compris le niobate de lithium et les semi-conducteurs III-V. Cependant, leur fabrication reste un défi, avec la nécessité d'utiliser des technologies de pointe.
Ce projet vise à répondre à ce défi critique en développant une plateforme photonique en carbure de silicium (SiC), qui présente à la fois des propriétés ?(2) et ?(3) et une compatibilité avec la technologie CMOS déjà utilisée dans la microélectronique. Bien que plusieurs étapes importantes aient été franchies en termes de propriétés linéaires et non linéaires, la plupart reposent sur des techniques de fabrication non évolutives et exploitent presque uniquement le comportement ?(3). Avec ce projet, nous tirerons parti de l'expertise du CEA Leti (FR) en matière de fabrication sur wafer, du C2N (FR) en matière de nanofabrication et de connaissance en modulation, et du savoir-faire de l'EPFL (CH) en matière de conception et de contrôle de l'interaction optique non linéaire. Cette expertise complémentaire permettra de développer des convertisseurs de fréquence ?(2)/?(3) et des modulateurs électro-optiques efficaces dans une plateforme compatible CMOS.
Plus précisément, le projet vise le développement à l'échelle du wafer SiC (CEA Leti), combiné à la fabrication de guides d'onde à dispersion contrôlée (C2N) pour démontrer des fonctionnalités non linéaires essentielles (EPFL). Deux approches seront développées : La première vise à exploiter les propriétés intrinsèques du ?(2) et du ?(3) du 4H-SiC cristallin. Le projet a pour premier objectif le développement de la technique de coupe intelligente pour la fabrication de wafer de haute qualité. Les équipes de fabrication et de conception se concentreront ensuite sur les démonstrations de dispositifs, y compris la génération de supercontinuum de faible puissance à portée d'octave et la génération simultanée de seconde harmonique, ainsi que sur le premier modulateur électro-optique en 4H-SiC fonctionnant à une fréquence supérieure à 40 GHz.
La seconde approche se concentre sur le SiC amorphe (a-SiC), qui réduit considérablement la complexité de la fabrication des wafer. Cependant, l'a-SiC ne possède pas de ?(2) intrinsèque. Ce défi sera relevé par l'optimisation du dépôt de la couche, ainsi que par l'étude du poling optique et électrique pour doter le matériau d'un ?(2) efficace. Avec ce projet commun, les partenaires ciblent des défis critiques en matière de fabrication, de technologie et de recherche fondamentale qui démontreront les performances et le potentiel du SiC pour l'optique non linéaire intégrée. Ces résultats, combinés au potentiel déjà élevé des qubits de spin adressables optiquement en SiC grâce aux centres de couleur, étendront considérablement les fonctionnalités de la plate-forme compatible CMOS pour les futurs PIC quantiques.