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Les circuits intégrés à base de silicium ont suivi la loi de Moore et ont été motivés par de nombreuses avancées technologiques dans le domaine des technologies des semi-conducteurs. Désormais, les chercheurs regardent au-delà des architectures de circuits conventionnelles avec l’émergence des circuits intégrés photoniques. Cependant, l’absence d’une source laser fiable sur les puces de silicium constitue un obstacle majeur limitant le potentiel des circuits intégrés photoniques au silicium.

Dans cet article, nous examinons de nouvelles recherches de l’Université de Stanford qui abordent ces questions.

Les lasers sont des composants clés des systèmes optiques sur puce, mais un défi technique associé aux isolateurs rend leur maintenance difficile sur puce. La lumière du laser peut se refléter sur elle-même et le déstabiliser ou le désactiver. Par conséquent, les fibres optiques traditionnelles et les systèmes optiques volumineux utilisent des isolateurs optiques qui exploitent l'effet Faraday. Bien que cette approche soit reproductible sur des puces, l'évolutivité reste un problème car elle n'est pas compatible avec sa technologie CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire).

Des progrès ont également été réalisés dans la fabrication d'isolateurs sans aimant ou ne reposant pas sur l'effet Faraday. Cependant, ils conduisent à des systèmes complexes et gourmands en énergie.

Des chercheurs de l'Université de Stanford suggèrent, dans leur article publié dans Nature Photonics, qu'un isolateur idéal serait totalement passif et sans aimant pour être évolutif et compatible avec la technologie CMOS. Ils ont créé un isolateur passif efficace à l’échelle d’une puce à partir de matériaux semi-conducteurs bien connus.

Un isolateur optique permet la transmission de la lumière dans une seule direction, annulant ainsi efficacement les ondes réfléchies. Les isolateurs reposant sur l'effet Faraday utilisent des rotateurs Faraday, le composant principal des isolateurs qui provoque la rotation de la polarisation de la lumière lorsqu'un champ magnétique est appliqué.

Les isolateurs dépendants de la polarisation utilisent un polariseur d'entrée, un rotateur de Faraday et un polariseur de sortie. Pour la lumière voyageant vers l’arrière, le polariseur d’entrée polarise la lumière de 45 degrés. Le rotateur de Faraday tournera à nouveau de 45 degrés. Puisque le polariseur de sortie est aligné verticalement, la lumière réfléchie polarisée horizontalement sera annulée.

D'autre part, les isolateurs indépendants de la polarisation divisent d'abord les composantes orthogonales du faisceau d'entrée avec un polariseur. Ils les envoient ensuite via un rotateur Faraday et les combinent dans le polariseur d'entrée. La lumière réfléchie apparaîtra avec un décalage et ne pourra pas passer.

De tels systèmes sont très difficiles à mettre en œuvre sur des puces car ils ne seraient pas compatibles avec la technologie CMOS.

Les isolateurs à onde continue intégrés que les chercheurs de Stanford ont démontrés fonctionnent avec l'effet Kerr. Il est composé de nitrure de silicium (SiN), qui est l'un des matériaux semi-conducteurs courants, et est facile à produire en série.

L'effet Kerr suggère qu'une substance isotrope devient biréfringente sous un champ électrique et qu'un champ électrique dû à la lumière provoque une variation de l'indice de réfraction du matériau, qui serait proportionnelle à l'éclairement lumineux.

Ce dernier effet devient beaucoup plus important avec des faisceaux intenses tels que les lasers. L'effet Kerr dans l'anneau SiN brise la dégénérescence entre les modes horaire et anti-horaire de l'anneau et permet la transmission des ondes de manière non symétrique.

Le faisceau laser primaire traverse l’anneau SiN, faisant tourner les photons autour de l’anneau dans le sens des aiguilles d’une montre. Simultanément, le faisceau réfléchi fait tourner les photons dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

La circulation à l’intérieur de l’anneau entraîne une accumulation d’énergie. La puissance croissante affecte le faisceau le plus faible (le faisceau réfléchi dans ce cas), tandis que le faisceau le plus fort reste inchangé.

Jelena Vučković, professeur de génie électrique à Stanford et auteur principal de l'étude, et son équipe ont construit un prototype comme preuve de concept et ont démontré le couplage de deux isolateurs en anneau en cascade pour obtenir des performances supérieures. Ils rapportent également qu'en faisant varier le couplage des résonateurs en anneau, ils peuvent compenser l'isolation et les pertes liées au couplage.