Des chercheurs de l’EPFL et de l’Universit\u00e9 de Harvard ont mis au point une puce hybride photonique-terahertz capable de convertir des impulsions \u00e9lectromagn\u00e9tiques dans la gamme des t\u00e9rahertz et des impulsions optiques sur le m\u00eame composant.<\/p>\n
Les ondes t\u00e9rahertz du spectre \u00e9lectromagn\u00e9tique ont des fr\u00e9quences sup\u00e9rieures aux micro-ondes utilis\u00e9es dans les technologies de t\u00e9l\u00e9communications telles que le Wi-Fi, mais inf\u00e9rieures \u00e0 la lumi\u00e8re infrarouge utilis\u00e9e dans les lasers et les fibres optiques. Leurs courtes longueurs d’onde permettent de transmettre tr\u00e8s rapidement de grandes quantit\u00e9s de donn\u00e9es, mais il a \u00e9t\u00e9 extr\u00eamement difficile de connecter le rayonnement THz aux technologies optiques et micro-ondes existantes.<\/p>\n
En 2023, les chercheurs du Laboratoire de photonique hybride ont fait un pas de plus pour combler cette lacune en cr\u00e9ant une puce photonique extr\u00eamement fine en niobate de lithium qui, lorsqu’elle est connect\u00e9e \u00e0 un faisceau laser, produit des ondes THz finement adaptables. Aujourd’hui, l’\u00e9quipe a pr\u00e9sent\u00e9 une nouvelle conception qui non seulement g\u00e9n\u00e8re des ondes THz, mais d\u00e9tecte \u00e9galement celles qui arrivent en les convertissant en signaux optiques.<\/p>\n
Cette conversion bidirectionnelle sur une plateforme unique et miniaturis\u00e9e est une \u00e9tape essentielle pour jeter un pont entre les domaines THz et optique. Elle pourrait permettre le d\u00e9veloppement de composants compacts et \u00e9conomes en \u00e9nergie pour la communication, la d\u00e9tection, la spectroscopie et l’informatique.<\/p>\n
\u00ab\u00a0Outre la premi\u00e8re d\u00e9tection d’impulsions THz sur une puce photonique en niobate de lithium, nous avons g\u00e9n\u00e9r\u00e9 des champs \u00e9lectriques THz 100 fois plus puissants et multipli\u00e9 la bande passante par cinq (passant de 680 GHz \u00e0 3,5 THz)\u00a0\u00bb, explique Cristina Benea-Chelmus, directrice du Laboratoire de photonique hybride.<\/p>\n
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Selon Yazan Lampert, doctorant et premier auteur, la conception innovante consiste \u00e0 int\u00e9grer des structures de la taille d’un micron, appel\u00e9es lignes de transmission, dans leur puce photonique en niobate de lithium. Ces lignes agissent comme des c\u00e2bles radio \u00e0 l’\u00e9chelle de la puce pour guider les ondes THz le long de la puce. En pla\u00e7ant une deuxi\u00e8me structure \u00e0 proximit\u00e9 pour guider les ondes optiques (lumi\u00e8re), les scientifiques ont am\u00e9lior\u00e9 l’interaction et la conversion entre les deux avec une perte d’\u00e9nergie minimale.<\/p>\n
\u00ab\u00a0Nous pouvons contr\u00f4ler les impulsions optiques et THz sur la m\u00eame plate-forme gr\u00e2ce \u00e0 la conception de notre circuit miniaturis\u00e9. Notre approche combine des circuits photoniques et des circuits THz sur un seul dispositif avec une largeur de bande sans pr\u00e9c\u00e9dent\u00a0\u00bb, explique M. Lampert.<\/p>\n
Les signaux THz \u00e0 large bande g\u00e9n\u00e9r\u00e9s par le dispositif hybride pourraient, par exemple, \u00eatre utilis\u00e9s pour d\u00e9velopper un radar bas\u00e9 sur les t\u00e9rahertz, dans lequel des impulsions THz extr\u00eamement courtes pourraient \u00eatre utilis\u00e9es pour estimer la distance d’un objet (t\u00e9l\u00e9m\u00e9trie) \u00e0 l’int\u00e9rieur d’un millim\u00e8tre. Gr\u00e2ce \u00e0 sa conception compacte et \u00e9conome en \u00e9nergie, la puce est \u00e9galement compatible avec les technologies photoniques existantes telles que les lasers, les modulateurs de lumi\u00e8re et les d\u00e9tecteurs. L’\u00e9quipe travaille d\u00e9j\u00e0 \u00e0 la miniaturisation compl\u00e8te de la conception de la puce afin de permettre une int\u00e9gration transparente dans la prochaine g\u00e9n\u00e9ration de syst\u00e8mes de communication et de t\u00e9l\u00e9m\u00e9trie, tels que ceux utilis\u00e9s dans les voitures \u00e0 conduite autonome.<\/p>\n
Amirhassan Shams-Ansari, co-auteur de ce travail et actuellement ing\u00e9nieur laser principal chez DRS Daylight Solutions (anciennement chercheur postdoctoral \u00e0 l’universit\u00e9 de Harvard), remarque : \u00ab\u00a0Le niobate de lithium en couche mince s’est av\u00e9r\u00e9 \u00eatre une plate-forme puissante pour la photonique int\u00e9gr\u00e9e, permettant une nouvelle g\u00e9n\u00e9ration d’applications et de composants. Il est vraiment passionnant de voir cette technologie progresser dans le domaine tr\u00e8s prometteur et encore peu explor\u00e9 du THz.\u00a0\u00bb<\/p>\n
\u00ab\u00a0Nous pensons que les directives de conception que nous proposons deviendront cruciales dans les futures applications t\u00e9rahertz telles que les communications 6G \u00e0 haut d\u00e9bit, o\u00f9 la d\u00e9tection et la t\u00e9l\u00e9m\u00e9trie constitueront un \u00e9l\u00e9ment essentiel du r\u00e9seau de communication\u00a0\u00bb, explique M. Benea-Chelmus.<\/p>\n
Cette recherche a \u00e9t\u00e9 financ\u00e9e par l’Union europ\u00e9enne (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).<\/p>\n
Image : Circuits photoniques et t\u00e9rahertz int\u00e9gr\u00e9s et test\u00e9s sur une seule puce. Le rayonnement t\u00e9rahertz g\u00e9n\u00e9r\u00e9 est collect\u00e9 par le miroir en or \u00e0 l’arri\u00e8re pour \u00eatre utilis\u00e9 pour la spectroscopie (ou la d\u00e9tection) de diff\u00e9rents mat\u00e9riaux. Cr\u00e9dit : 2025 EPFL\/Alain Herzog CC BY SA 4.0.<\/p>\n