L'utilisation du graphène révolutionne les circuits intégrés photoniques non linéaires
La mise au point d'une puce photonique capable de générer de la lumière dans l'infrarouge moyen (MIR) tout en étant pompée par un petit laser MIR portable pourrait être très utile dans des domaines tels que les diagnostics médicaux non invasifs, les tests optiques ou la sécurité de l'eau. Malheureusement, la génération par une puce de lumière à large bande dans le MIR nécessite en général l'utilisation de lasers de pompage volumineux, ce qui limite la généralisation de cette technique. Le projet GRAPHENICS (Graphene-enabled on-chip supercontinuum light sources), financé par l'UE, a démontré un élargissement spectral de la lumière MIR dans des guides d'ondes photoniques à base de silicium recouvert de graphène, pompée par un laser à fibre de petite taille développé en interne, avec une longueur d'onde d'émission dans l'infrarouge moyen nettement supérieure à 2 microns. Cette innovation révolutionnaire ouvre à la voie à des circuits intégrés photoniques non linéaires à base de graphène sur silicium, ainsi qu'à l'utilisation pratique de puces produisant un supercontinuum de lumière dans le moyen infrarouge. Associer le laser de pompage et la puce à revêtement de graphène L'émission d'un large spectre lumineux, ou «génération de supercontinuum», repose sur des phénomènes d'optique non linéaire tels que l'automodulation de phase. L'une des caractéristiques définissant l'automodulation de phase est que l'onde lumineuse modifie réellement les propriétés matérielles du matériau qu'elle traverse. Cette altération est constatée avec un grand nombre de matériaux mais elle est particulièrement marquée pour le graphène, un matériau bidimensionnel, à condition de l'utiliser correctement. L'équipe de GRAPHENICS a produit une automodulation de phase dans une puce photonique de silicium recouverte de graphène pour réaliser un élargissement spectral dans l'infrarouge moyen. Le pompage optique nécessaire à l'automodulation de phase était assuré par un nouveau petit laser pulsé à fibre dans le moyen infrarouge. Décrivant la méthode de GRAPHENICS, le professeur Nathalie Vermeulen, coordinatrice du projet, se rappelle: «En réalisant chaque étape du cycle de R&D pour la puce, nous avons effectué des calculs fondamentaux de non linéarité pour le graphène seul, tout en modélisant les guides d'ondes recouverts de graphène. Les tâches de fabrication comprenaient la croissance, le dépôt, la structuration et le dopage du graphène, directement sur les guides d'ondes photoniques. Nos expériences de validation du concept ont comporté une caractérisation linéaire et non linéaire des dispositifs. En parallèle, nous avons développé le petit laser à fibre de pompage dans l'infrarouge moyen» Ces travaux ont débouché sur une découverte totalement nouvelle: contrairement à la croyance répandue, la non linéarité optique du troisième ordre du graphène, qui sous-tend le processus d'automodulation de phase, présente un signe négatif et non un signe positif. Comme le fait remarquer le professeur Vermeulen, «En général, les matériaux utilisés pour fabriquer des dispositifs optiques non linéaires (sur puce) montrent une non-linéarité du troisième ordre présentant un signe positif. Ce caractère non linéaire pourrait être renforcé en utilisant des matériaux présentant une non-linéarité du troisième ordre plus élevée avec un signe positif. Les chercheurs ont supposé que le graphène répondrait à ces conditions, jusqu'à ce qu'ils constatent que sa non-linéarité se caractérise par un signe négatif.» Cette découverte a mis en évidence les faiblesses ainsi que le potentiel de ce matériau pour les puces photoniques non linéaires. En pratique, pour s'assurer que les performances globales du dispositif étaient améliorées et non entravées, les chercheurs ont dû faire attention à la position et à la surface du revêtement de graphène. Des applications pratiques pour un projet à «haut risque et haut bénéfice» Selon le professeur Vermeulen, la puce photonique recouverte de graphène et le laser MIR compact à fibre développés par le projet présentent un intérêt pour de nombreuses applications. Comme elle le résume, «Lorsqu'il sert de source de pompage pour la génération d'un supercontinuum MIR, le laser à fibre pourrait être utilisé pour un suivi tout-optique du glucose chez les patients atteints de diabète. En tant que dispositif autonome, il offre également des possibilités intéressantes, par exemple pour la détection à haute sensibilité de gaz à effet de serre spécifiques.» En tant que projet FET (Future and Emerging Technologies) mené par de «jeunes explorateurs», GRAPHENICS a non seulement contribué à une recherche fondamentale et interdisciplinaire ayant des répercussions sur la société, mais il a également permis de développer les compétences de futurs leaders pour la science et la technologie européennes. Les travaux de GRAPHENICS se poursuivent avec l'étude systématique du graphène combiné à d'autres types de guides d'ondes. L'équipe cherche également des débouchés commerciaux à leur laser MIR à fibre innovant.
Mots‑clés
GRAPHENICS, dispositif sur puce, source de lumière à large bande, infrarouge moyen, optique, photonique, silicium recouvert de graphène, graphène, guides d'ondes, supercontinuum, non linéarité
