Du confinement d’un ordinateur quantique, aux centres de données, aux câbles anodins traversant nos océans ou enfilés sous les rues de nos villes, la fibre optique permet une connectivité instantanée et profonde.
Les connexions entre nos technologies les plus fondamentales reposent sur un dispositif permettant de convertir les signaux entre l’électricité et les ondes lumineuses à grande vitesse : le modulateur électro-optique.
Les modulateurs électro-optiques fabriqués avec du niobate de lithium (LN) sont les plus courants en raison de la capacité connue de longue date de LN à convertir efficacement entre les domaines électrique et optique. Cependant, le LN est resté difficile à fabriquer à l’échelle de la puce à l’aide de procédés de microfabrication, ce qui a laissé les modulateurs électro-optiques sous des formes encombrantes, discrètes et coûteuses qui ne peuvent pas s’adapter, s’intégrer à l’électronique CMOS ou atteindre certains paramètres de performance. Les plates-formes photoniques basées sur d’autres matériaux permettent effectivement une intégration sur puce, mais s’accompagnent de compromis en termes de performances en raison des propriétés non idéales des matériaux.
Lorsque les demandes de communication continuent d’évoluer, il est également nécessaire de créer des modulateurs plus petits et plus accessibles qui peuvent démocratiser la puissance de la LN afin qu’elle ne soit pas seulement la technologie des grandes installations de télécommunications.
HyperLight a fait exactement cela.
L’équipe de Mian Zhang, Cheng Wang et Marko Loncar a créé des modulateurs LN intégrés à l’échelle de la puce. C’est une immense percée à une échelle immensément petite. Grâce aux travaux menés par le Laboratory for Nanoscale Optics de l’université de Harvard, le trio a découvert une méthode permettant de fabriquer des modulateurs à couche mince de LN avec une perte de signal extrêmement faible. Il s’agit d’une technologie fondatrice, qui permettra aux futurs réseaux de communication de fonctionner à des vitesses plus élevées et à une puissance plus faible, partout.
« Imaginez, commence Zhang, que les câbles de fibre optique longue distance qui courent le long du fond de l’océan soient des interstates de communication. Haute capacité. Haute vitesse. Maintenant, imaginez que nous rendions toutes les connexions entre les centres de données, les industries, les bureaux et les maisons également capables. Ce serait comme transformer toutes nos routes secondaires en autoroutes. Une capacité et une vitesse exponentielles. Nous pourrions tout obtenir, et davantage, plus rapidement tout en consommant beaucoup moins d’énergie. »
Manipuler le LN à l’échelle nanométrique n’est pas facile. Les qualités supérieures des cristaux de niobate de lithium sont bien connues dans l’industrie de la photonique, mais graver le matériau à l’échelle nécessaire pour les applications de faible puissance et de la taille d’une puce a contrarié une génération de physiciens et de spécialistes des matériaux. Le LN a tendance à se coller à lui-même et au substrat de fabrication. Il s’agit d’un problème de matériau à haut risque, comme le note Zhang. La défaillance est probable.
Pour Zhang, la perspective de construire quelque chose-créer une technologie nouvelle et réelle, de bas en haut-l’a amené des laboratoires d’un département de physique de premier cycle, à un laboratoire de doctorat expérimentant la photonique du silicium, et à sa recherche postdoctorale en physique appliquée à Harvard.
C’est à Harvard qu’il a rejoint le laboratoire de Marko Loncar, un professeur réputé pour ses travaux sur les matériaux optiques difficiles à fabriquer comme le diamant. Dans le laboratoire de Loncar, Zhang a été présenté à Cheng Wang, un étudiant en doctorat qui venait de produire avec succès des nanoguides de LN prouvant le potentiel de l’efficacité supérieure du LN. La production de ces nanoguides a également prouvé la capacité du laboratoire à fabriquer des structures avec une efficacité et des performances encore plus grandes.
Zhang, Wang et Loncar ont entrepris de réduire le facteur de perte de ces guides d’ondes par un facteur 10 – passant d’une perte de 50% de la lumière par centimètre de propagation, à une perte équivalente sur 10cm. Un objectif qui, s’il était atteint, bouleverserait tout le paysage de la photonique. Les résultats expérimentaux ont stupéfié l’équipe : ils ont réduit le facteur de perte d’un facteur 100. Ils ont produit un guide d’ondes dans lequel la lumière pouvait se propager avec des pertes négligeables sur plus d’un mètre. Ils ont utilisé ces guides d’ondes à faibles pertes pour fabriquer le modulateur électro-optique le plus performant, présenté dans un article de la revue Nature.
L’équipe s’est alors rendu compte que les dispositifs modulateurs optiques intégrés fabriqués à l’aide de leurs puces à très faibles pertes pouvaient répondre à la demande croissante du marché pour des solutions optiques ultraperformantes, mais rentables. HyperLight était né.
Lorsque Charles Kao, lauréat du prix Nobel et pionnier de la communication par fibre optique, a réalisé ses percées les plus significatives dans les années 1960 et 1970, il n’aurait pas pu prédire comment l’omniprésence du haut débit façonnerait la société et l’économie mondiale d’aujourd’hui. La fibre optique à faible perte a changé la façon dont le monde est connecté. Zhang, Loncar et Wang ont vu dans cette technologie fondamentale un élément à améliorer, à faire évoluer pour répondre aux exigences du demi-siècle à venir. Ils ont mis au point cette amélioration. Leurs puces à très faibles pertes, et les techniques permettant d’exploiter le véritable potentiel du niobate de lithium, nous aideront à exploiter les données de demain, et leurs connexions, avec des niveaux de vitesse et d’efficacité sans précédent.