Une équipe singapourienne développe des guides d'ondes en nitrure de silicium deutéré pour la génération de lumière large bande à l'échelle des plaquettes

Une équipe de recherche de l'Université de technologie et de design de Singapour et de l'Institut de microélectronique de l'Agence pour la science, la technologie et la recherche de Singapour a récemment développé un guide d'ondes en nitrure de silicium deutéré à faible perte, capable de générer de la lumière large bande sur puce. En remplaçant l'hydrogène par son isotope lourd, le deutérium, et en fabriquant le guide d'ondes en nitrure de silicium à basse température, ce résultat démontre un potentiel d'intégration avec les procédés semi-conducteurs compatibles CMOS et de production à l'échelle des plaquettes.

L'article connexe, intitulé « Génération de supercontinuum trans-octave dans des guides d'ondes en nitrure de silicium deutéré à faible perte à l'échelle des plaquettes », a été publié dans Optics Letters. Les recherches montrent que ce guide d'ondes au niveau puce peut élargir les impulsions laser infrarouges jusqu'à couvrir une gamme spectrale allant de la lumière rouge visible à l'infrarouge profond.

Les films de nitrure de silicium traditionnels sont généralement cultivés à partir de gaz silane ; les liaisons silicium-hydrogène résiduelles dans le matériau absorbent la lumière dans la bande des télécommunications. Pour réduire cette absorption, les procédés conventionnels nécessitent un recuit prolongé à des températures allant jusqu'à 1200 degrés Celsius, mais ces traitements à haute température ne conviennent pas aux puces déjà intégrées avec des circuits électroniques et peuvent également introduire des contraintes importantes dans les films épais.

L'équipe de recherche a remplacé le silane ordinaire par du silane deutéré, substituant ainsi les atomes d'hydrogène par l'isotope plus lourd, le deutérium. Dawn Tan, professeure associée à l'Université de technologie et de design de Singapour, a indiqué que cette substitution déplace le pic d'absorption de la bande de communication vers la région de 2,1 micromètres, de sorte que la lumière à la longueur d'onde de travail n'est plus absorbée de manière significative, éliminant ainsi le besoin d'un processus de cuisson à haute température.

Selon les informations fournies, ce procédé permet de déposer en une seule étape un film de 800 nanomètres d'épaisseur sur une plaquette entière de 8 pouces à une température inférieure à 400 degrés Celsius, conformément aux exigences de budget thermique des lignes de production semi-conductrices standard. Les guides d'ondes fabriqués présentent une perte optique de 0,54 décibel par centimètre et peuvent supporter des interactions optiques à haute intensité. Les dispositifs démontrés dans l'étude comprennent un guide d'ondes de 5,21 centimètres de longueur, ainsi qu'un guide d'ondes en nitrure de silicium deutéré de 1,51 centimètres de longueur, adoptant une disposition en spirale avec un rayon de courbure de 100 micromètres.

Lors des expériences, après avoir injecté des impulsions infrarouges de 500 femtosecondes dans le guide d'ondes, le spectre s'est élargi d'une raie étroite à 1555 nanomètres à un continuum s'étendant de 587 nanomètres à 1883 nanomètres, soit une plage de 1,7 octave. Bien que la lumière d'entrée soit infrarouge invisible, la puce émet de la lumière rouge visible. Tan a indiqué que cela prouve que le dispositif peut efficacement convertir l'entrée infrarouge en un spectre suffisamment large, s'étendant jusqu'à la gamme visible.

Pour des applications telles que la métrologie de précision et les peignes de fréquences, au-delà de la largeur spectrale, la cohérence et la stabilité impulsion-à-impulsion sont tout aussi importantes. L'équipe de recherche a mesuré une cohérence spectrale globale supérieure à 0,81 à des niveaux d'énergie d'impulsion modérés, démontrant une bonne stabilité entre les impulsions. Cependant, à des niveaux d'énergie plus élevés, l'élargissement spectral supplémentaire s'accompagne d'une augmentation du bruit, liée aux effets d'instabilité de modulation. Les simulations montrent qu'en optimisant la longueur du guide d'ondes, il est possible de capturer un spectre large stable avant que la cohérence ne se dégrade de manière significative.

Luo Xianshu, responsable du département de photonique sur silicium à l'Institut de microélectronique de l'Agence pour la science, la technologie et la recherche de Singapour, a indiqué que le défi clé consiste à transformer la conception photonique en un procédé capable d'atteindre les performances optiques ciblées à l'échelle des plaquettes. L'équipe de recherche a annoncé que les prochaines étapes consisteront à optimiser la conception des guides d'ondes pour améliorer l'uniformité spectrale et la large gamme spectrale à haute puissance, et à explorer l'intégration de la source lumineuse avec des dispositifs tels que des modulateurs et des détecteurs sur une seule puce, en vue d'applications dans l'imagerie médicale, la métrologie de précision et les communications optiques.