Interconnexions volumiques à faible perte couplées par fibre fabriquées par écriture laser directe
Introduction au contexte
Les circuits intégrés photoniques (PICs) sont d’une importance cruciale pour réaliser des transmissions de données à haute vitesse. Cependant, les circuits intégrés photoniques traditionnels n’utilisent qu’un seul plan ou quelques plans empilés, ce qui limite le routage des signaux optiques. De plus, dans les applications pratiques, il est nécessaire que la perte de couplage soit aussi faible que possible. Les circuits intégrés photoniques actuels sont principalement construits par des techniques de préparation planaire, y compris des matériaux tels que le silicium sur isolant (SOI), le nitrure de silicium (SiN) et le lithium niobate sur isolant (LNOI). Cependant, ces méthodes rencontrent souvent des problèmes de perte de couplage optique élevée et de chemins optiques complexes rendant difficile la réalisation de trajets 3D libres.
Pour surmonter ces limitations, une équipe de recherche a proposé une nouvelle méthode de préparation — la technologie de contrôle du gradient d’indice de réfraction par exposition de faisceau (SCRIBE), capable d’inscrire une distribution de gradient d’indice de réfraction (GRIN) 3D précise dans une structure de silice mésoporeuse. Les auteurs de cet article visent à appliquer la technologie SCRIBE pour préparer des dispositifs d’interconnexion volumétrique à faible perte, à large bande et insensibles à la polarisation, tout en réalisant des guide d’onde dans n’importe quel chemin 3D.
Source de l’article
En juillet 2014, les auteurs Alexander J. Littlefield, Jack Huang et Mason L. Holley, entre autres, ont publié un article de recherche intitulé « Low loss fiber-coupled volumetric interconnects fabricated via direct laser writing ». Cet article a été publié dans le volume 11, numéro 7 de la revue Optica, impliquant plusieurs départements de recherche, notamment le département d’ingénierie électrique et informatique de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.
Flux de travail de recherche
Le processus de recherche comprend principalement les étapes suivantes :
Sélection et préparation des matériaux : Choix du film de silice mésoporeuse comme matériau de base. Ce matériau est formé par un processus d’oxydation de silicium p-dopé à haute concentration et est oxydé pendant 30 minutes à 900 °C.
Conception et fabrication des dispositifs optiques : Utilisation de l’imprimante 3D Nanoscribe Photonic Professional GT pour l’exposition de faisceau au sein du film de silice mésoporeuse, permettant d’imprimer des guide d’onde, des éléments optiques GRIN et des lentilles.
Méthodes expérimentales : Le calibrage de position et la technique d’exposition multiple ont considérablement amélioré la précision de fabrication. De plus, grâce à la technologie de réglage automatique et à l’utilisation de fibres avec un revêtement anti-reflet, la perte de couplage de la fibre au PIC a été significativement réduite.
Collecte et analyse des données : Pour différents dispositifs optiques, tels que les résonateurs micro-anneaux et les réflecteurs de Bragg, les performances des dispositifs optiques ont été évaluées en mesurant des paramètres clés tels que le facteur qualité, la perte de propagation et la perte de couplage.
Détails des résultats de recherche
Optimisation des chemins de guide d’onde : Grâce à l’alignement optique et à la technique d’exposition multiple, la perte de raccordement dans les chemins de guide d’onde a été considérablement réduite. De 50 dB initialement à 2,14 dB, par ailleurs, grâce à l’intégration de lentilles sous-surfaciques adaptées et d’un gradient de guide d’onde GRIN, la perte d’interconnexion totale de fibre à guide d’onde à fibre a été réduite de 50 dB à 2,14 dB. Si l’on exclut la perte du réseau de fibres, la perte totale ne représente que 1,47 dB.
Optimisation du facteur qualité et de la perte par courbure : Les performances du résonateur micro-anneau sous différentes conditions de rayon montrent une amélioration significative de son facteur qualité. Par exemple, pour un résonateur ayant un rayon de 30 µm, le facteur qualité a été amélioré de 4 600 à 77 000, avec une perte par courbure réduite à 3 dB/cm.
Réalisation de la rotation de polarisation et de la répartition de longueur d’onde : La recherche a démontré les fonctionnalités de dispositifs d’interconnexion à rotation de polarisation et de répartition de longueur d’onde. Plus précisément, un séparateur de faisceau à film MacNeille composé de 17 couches a été fabriqué. Ce nouveau séparateur a démontré de bonnes performances sur une large bande de longueurs d’onde de 1450 à 1700 nm, avec un rapport de séparation atteignant +29,3 dB et −11,7 dB à 1550 nm.
Réalisation de circuits d’interconnexion en réseau multi-canaux : Sur un réseau hexagonal à un espacement de 25 µm, sept circuits d’interconnexion indépendants ont été fabriqués avec succès. Le couplage fibre à puce s’est bien comporté dans tous les canaux, avec des pertes de transmission uniformes et sans interférence significative entre les canaux.
Conclusion et valeur d’application
Cet article démontre pleinement le potentiel d’application de la technologie SCRIBE dans les circuits intégrés photoniques 3D (3D PICs). La principale valeur scientifique de cette technologie réside dans sa capacité à réaliser des interconnexions de guide d’onde optique sur n’importe quel chemin 3D, tout en intégrant plusieurs éléments micro-optiques, ce qui réduit considérablement la perte de couplage de la fibre. De plus, cette recherche offre une méthode technologique viable pour la réalisation de nouveaux dispositifs photoniques 3D, ouvrant de nouvelles perspectives pour des applications dans les télécommunications et les centres de données, notamment en matière d’interconnexion optique à haute densité et de reconversion de dispositions.
Résumé des points forts
Réduction significative de la perte de couplage : Grâce aux lentilles sous-surfaciques et à la technologie de gradient GRIN, la perte de couplage de la fibre au guide d’onde a été réduite à 0,45 dB.
Amélioration du facteur qualité des guide d’onde et résonateurs micro-anneaux : Avec l’utilisation de techniques d’exposition multiples et de calibration de position, les performances des guide d’onde et des résonateurs micro-anneaux ont été considérablement améliorées, atteignant un facteur qualité de 77 000 et une perte de courbure réduite à 3 dB/cm.
Fonctionnalité de rotation de polarisation et de répartition de longueur d’onde : La réalisation réussie de dispositifs de rotation de polarisation et de répartition de longueur d’onde démontre la capacité d’intégrer des fonctions optiques complexes grâce à la technologie SCRIBE.
Directions de recherche futures
Les futures orientations de recherche pourraient inclure l’intégration encore plus poussée des circuits intégrés photoniques III-V et SOI grâce à la technologie SCRIBE, l’étude de résines photosensibles à indice de réfraction plus élevé pour réduire la perte par courbure et améliorer l’efficacité de mise au point des lentilles. De plus, des systèmes d’impression parallèles plus efficaces pourraient être explorés pour répondre aux besoins de production à grande échelle.
Cette recherche représente une étape clé dans le domaine des circuits intégrés photoniques couplés par fibre, établissant une base solide pour le développement futur de la technologie photonique 3D.