Optique nonlinéaire sur puce et application pour le traitement tout optique de l'information

L’optique nonlinéaire sur puce pour le traitement tout optique de l’information apparait comme une voie prometteuse pour des applications datacom, en permettant la réalisation de fonctions tout optique ultrarapides pouvant traiter, rediriger, ou convertir des signaux lumineux haut débit, et sans conversion dans le domaine électrique. La réalisation de ces fonctions sur puce est également la promesse d’un rapprochement avec la microélectronique pour le développement de circuits optoélectroniques avancés et de liens optiques rapides intra- et inter-puces. Pour que ces fonctions aient un réel impact, cependant, leur consommation en puissance doit être abaissée. Cette contrainte représente un véritable défi compte tenu de la réponse nonlinéaire plutôt faible des matériaux usuels (qui requièrent ainsi une forte intensité lumineuse pour induire un effet notable) mais aussi des critères de compacité recherchés pour les composants nonlinéaires visés. Plusieurs clés permettent de tendre vers cet objectif, en jouant à la fois sur le matériau nonlinéaire, mais aussi la géométrie de la structure sous-jacente pour réaliser ces composants. Du point de vue de la géométrie, le confinement optique du mode dans des structures photoniques sub-micrométriques, l’exploitation de résonances ou semirésonances (modes à faible vitesse de groupe) et le contrôle de la dispersion, constituent autant de leviers pour exalter les phénomènes nonlinéaires. Je présente ici un certain nombre de démonstrations marquantes associées à l’exploitation des modes lents dans des guides à cristaux photoniques ingénierés pour réaliser des fonctions nonlinéaires compactes (génération de paires de photons corrélés, démultiplexage temporel, diagnostique de signaux optiques rapides…). Du point de vue matériau, si nombre de démonstrations phares ont été réalisées sur plate-forme SOI dans le silicium cristallin, les limitations de ce dernier pour l’optique non linéaire aux longueurs d’onde télécom sont nombreuses (absorption non linéaire, génération de porteurs libres), freinant ou parfois même interdisant l’accès à certaines fonctions (génération de supercontinuum, peigne de fréquences, amplificateur paramétrique en continu…). Une migration vers le moyen IR (au-delà de 2µm) dans laquelle (1) les matériaux de la colonne IV ont des propriétés nonlinéaires plus favorables, et (2) les composés biochimiques ont une forte empreinte spectrale, constitue une première voie alternative d’exploration de l’optique non linéaire sur puce qui pourrait nourrir des applications dans le domaine de la santé, défense et environnement. A contrario, si l’on reste autour des longueurs d’onde télécom, d’autres filières matériauxapparaissent prometteuses, comme le silicium amorphe hydrogéné ou des semiconducteurs III-V à grand gap. Au lieu de remplacer complètement le SOI, une approche utilisant l’intégration hybride, où un matériau nonlinéaire est localement exploité en complément du silicium cristallin, mature et conservé pour le guidage, pourrait s’avérer être un compromis judicieux. Dans ce contexte, l’apport des matériaux 2D (existant sous forme de monofeuillets, tels que graphène et ses cousins) qui ont des propriétés complémentaires au SOI et peuvent être facilement intégrés en fin de procédé de fabrication, apparaît pertinente. Outre l’intérêt de sa réponse nonlinéaire (a priori beaucoup plus élevée que celle du silicium), les propriétés du graphène peuvent être contrôlées de manière statique ou dynamique, afin de réaliser des fonctions agiles et reconfigurables. Legraphène possède également une absorption saturable qui le rend intéressant pour la réalisation de lasers impulsionnels, un autre composant clé pour la photonique intégrée. La réalisation de ces composants laser sur puce n’est pas complètement disjointe des enjeux associés à l’optique nonlinéaire intégrée : ils offrent la perspective de contrôler directement sur puce, avec un signal optique de pompe adapté, l’ensemble des fonctions nonlinéaires d’un circuit pour le traitement tout optique de l’information. Le développement des microlasers sur silicium pouvant délivrer la puissance suffisante pour faire fonctionner ces composants, constitue en effet un point clé de cette thématique de recherche. Ici encore, l’exploitation de cristaux photoniques à modes lents pourrait apporter une solution intéressante à la miniaturisation de ces composants. Enfin, au-delà des applications mentionnées, l’exploration des nonlinéarités dans des architectures intégrées ouvre la voie d’un domaine de recherche en physique extrêmement riche et varié