Puce photonique-terahertz pour les communications et la détection
Des chercheurs de l’EPFL et de l’Université de Harvard ont mis au point une puce hybride photonique-terahertz capable de convertir des impulsions électromagnétiques dans la gamme des térahertz et des impulsions optiques sur le même composant.
Les ondes térahertz du spectre électromagnétique ont des fréquences supérieures aux micro-ondes utilisées dans les technologies de télécommunications telles que le Wi-Fi, mais inférieures à la lumière infrarouge utilisée dans les lasers et les fibres optiques. Leurs courtes longueurs d’onde permettent de transmettre très rapidement de grandes quantités de données, mais il a été extrêmement difficile de connecter le rayonnement THz aux technologies optiques et micro-ondes existantes.
En 2023, les chercheurs du Laboratoire de photonique hybride ont fait un pas de plus pour combler cette lacune en créant une puce photonique extrêmement fine en niobate de lithium qui, lorsqu’elle est connectée à un faisceau laser, produit des ondes THz finement adaptables. Aujourd’hui, l’équipe a présenté une nouvelle conception qui non seulement génère des ondes THz, mais détecte également celles qui arrivent en les convertissant en signaux optiques.
Cette conversion bidirectionnelle sur une plateforme unique et miniaturisée est une étape essentielle pour jeter un pont entre les domaines THz et optique. Elle pourrait permettre le développement de composants compacts et économes en énergie pour la communication, la détection, la spectroscopie et l’informatique.
« Outre la première détection d’impulsions THz sur une puce photonique en niobate de lithium, nous avons généré des champs électriques THz 100 fois plus puissants et multiplié la bande passante par cinq (passant de 680 GHz à 3,5 THz) », explique Cristina Benea-Chelmus, directrice du Laboratoire de photonique hybride.
Le radar à térahertz au service des communications 6G
Selon Yazan Lampert, doctorant et premier auteur, la conception innovante consiste à intégrer des structures de la taille d’un micron, appelées lignes de transmission, dans leur puce photonique en niobate de lithium. Ces lignes agissent comme des câbles radio à l’échelle de la puce pour guider les ondes THz le long de la puce. En plaçant une deuxième structure à proximité pour guider les ondes optiques (lumière), les scientifiques ont amélioré l’interaction et la conversion entre les deux avec une perte d’énergie minimale.
« Nous pouvons contrôler les impulsions optiques et THz sur la même plate-forme grâce à la conception de notre circuit miniaturisé. Notre approche combine des circuits photoniques et des circuits THz sur un seul dispositif avec une largeur de bande sans précédent », explique M. Lampert.
Les signaux THz à large bande générés par le dispositif hybride pourraient, par exemple, être utilisés pour développer un radar basé sur les térahertz, dans lequel des impulsions THz extrêmement courtes pourraient être utilisées pour estimer la distance d’un objet (télémétrie) à l’intérieur d’un millimètre. Grâce à sa conception compacte et économe en énergie, la puce est également compatible avec les technologies photoniques existantes telles que les lasers, les modulateurs de lumière et les détecteurs. L’équipe travaille déjà à la miniaturisation complète de la conception de la puce afin de permettre une intégration transparente dans la prochaine génération de systèmes de communication et de télémétrie, tels que ceux utilisés dans les voitures à conduite autonome.
Amirhassan Shams-Ansari, co-auteur de ce travail et actuellement ingénieur laser principal chez DRS Daylight Solutions (anciennement chercheur postdoctoral à l’université de Harvard), remarque : « Le niobate de lithium en couche mince s’est avéré être une plate-forme puissante pour la photonique intégrée, permettant une nouvelle génération d’applications et de composants. Il est vraiment passionnant de voir cette technologie progresser dans le domaine très prometteur et encore peu exploré du THz. »
« Nous pensons que les directives de conception que nous proposons deviendront cruciales dans les futures applications térahertz telles que les communications 6G à haut débit, où la détection et la télémétrie constitueront un élément essentiel du réseau de communication », explique M. Benea-Chelmus.
Cette recherche a été financée par l’Union européenne (MIRAQLS Grant No 101070700), le Fonds national suisse de la recherche scientifique (PRIMA Grant No 201547) et le programme Lead agency FNS-NSF (NSF ECCS-2407727).
Image : Circuits photoniques et térahertz intégrés et testés sur une seule puce. Le rayonnement térahertz généré est collecté par le miroir en or à l’arrière pour être utilisé pour la spectroscopie (ou la détection) de différents matériaux. Crédit : 2025 EPFL/Alain Herzog CC BY SA 4.0.
L’article de recherche a été publié dans Nature Communications. DOI : https://doi.org/10.1103/m1hl-d18s
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