Télécom ParisTech

Des chercheurs de Télécom ParisTech font avancer le domaine de la photonique !

Une avancée franco-américaine majeure en photonique silicium pour les télécoms et les réseaux

Télécom ParisTech, Univ. Santa Barbara, Institut Carnot

Juin 2018. Des chercheurs de Télécom ParisTech, dans le cadre d’une collaboration avec l’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB), ont mis au point de nouvelles sources optiques dont les performances sont prometteuses pour la photonique sur silicium. Ces lasers faiblement énergivores et très stables en température ouvrent ainsi de nombreuses perspectives d’amélioration pour les systèmes de transmissions très haut-débit, les datacoms, sans oublier les supercalculateurs. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue Applied Physics Letters , éditée par AIP Publishing.    

Une nouvelle technologie d’élaboration de composants III-V par croissance directe sur le silicium vient d’être proposée. Cette prouesse technologique permet d’obtenir des composants présentant des performances remarquables en termes de puissance de sortie, de courants d’alimentation et de robustesse à la température. Les résultats montrent aussi une stabilité accrue de ces sources vis-à-vis des réflexions parasites, un point crucial pour la production de systèmes de communication à bas coût, sans isolateur optique. Les géants industriels comme Nokia, Bell Labs, Cisco mais aussi les GAFA fondent beaucoup d’espoir sur cette technologie pour développer la prochaine génération de systèmes optiques opérant à très haut débit.

L’approche actuellement privilégiée par l’industrie est basée sur le collage thermique d’un laser à semi-conducteurs (réalisé avec un matériau III-V) sur un substrat de silicium structuré afin de guider la lumière. Non optimal en termes de coûts, le collage thermique n’est pas aisé à remplacer, car silicium et III-V ne sont pas des éléments naturellement compatibles. Or cette nouvelle technologie ouvre la voie à la réalisation de sources laser directement épitaxiées sur silicium, prouesse bien plus compliquée à atteindre que pour d’autres composants (modulateur, guides, etc.). Depuis quelques années, le silicium est devenu un composant essentiel de la micro-électronique. Et ces nouvelles sources optiques sur silicium vont permettre à l’industrie d’adapter ses procédés de fabrication sans les changer, tout en répondant aux enjeux actuels : fournir des débits plus élevés compatibles avec les défis de réduction des coûts, des dimensions et de la consommation d’énergie.

Cette avancée est la résultante d’une collaboration entre Frédéric Grillot , Professeur à Télécom ParisTech, et John Bowers, Professeur à l’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB). L es recherches de l’équipe du Professeur Bowers sont à l'avant-garde du développement de la technologie qui a conduit au premier laser « hybride III-V sur silicium » (en 2006 avec Intel), technologie distinguée en 2007 par le « ACE Award » (Annual Creativity in Electronics) comme étant la plus prometteuse. Cette collaboration, l’une des seules hors Etats-Unis, de John Bowers avec Frédéric Grillot et son équipe est un marqueur de qualité des recherches menées à Télécom ParisTech.

La photonique sur silicium est une discipline qui ambitionne de révolutionner l’industrie de la micro-électronique et les technologies de communications. Il s'agit d'une combinaison de deux des inventions parmi les plus importantes à savoir le circuit intégré en silicium et le laser semi-conducteur. L’intégration photonique ouvre de nombreuses perspectives car elle permet un transfert rapide des données sur des distances plus longues par rapport à l'électronique classique, tout en s'appuyant sur l'efficacité de fabrication du silicium à grande échelle.

Contact pour en savoir plus : Alexia Kappelmann  - tél. 01 45 81 73 40

Une nouvelle méthode permettant de connaître avec précision le facteur d'élargissement spectral des diodes lasers

Illustration photonique

La photonique est la branche de la physique concernant l'étude et la fabrication de composants permettant la génération, la transmission, le traitement (modulation, amplification) ou la conversion de signaux optiques. Elle étudie les photons indifféremment comme onde ou comme corpuscule. Son champ d'application concerne la Défense & Sécurité, la Santé & Médical, l'Energie & Environnement, les Transports, la Vision, et les Télécommunications

Paris, le 28 juin 2016. Des chercheurs de Télécom ParisTech, en collaboration avec l'Université du Nouveau-Mexique (États-Unis) et du NRC (Canada) viennent de développer une nouvelle méthode permettant de connaître avec précision le facteur d'élargissement spectral des diodes lasers. La découverte vient d'être publiée dans la revue Scientific Reports, éditée par Nature Publishing Group. Ce travail va permettre une meilleure compréhension des transmetteurs optiques utilisés dans les réseaux de  communications à haut débit.

Thermally insensitive determination of the linewidth broadening factor in nanostructured semiconductor  lasers using optical injection locking. Cheng Wang, Kevin Schires, Marek Osiński, Philip J. Poole & Frédéric Grillot. Scientific Reports, Nature Publishing, 6:27825 | DOI: 10.1038/srep27825 (2016)

Cinq chercheurs viennent de mettre au point une nouvelle méthode d'extraction du facteur d'élargissement spectral des diodes lasers

Cette découverte est réalisée à l'Université Paris-Saclay par Frédéric Grillot, Enseignant-Chercheur à Télécom ParisTech, Cheng Wang, Professeur Assistant à Shanghai Tech alors doctorant à Télécom ParisTech, avec le support de Kévin Schires, Télécom ParisTech, de Marek Osinski, Professeur à l'Université du Nouveau-Mexique et Philip Poole, chercheur au NRC.

Une meilleure compréhension des diodes lasers utilisées dans les liens de communications optiques à très haut débit

Les diodes lasers inventées en 1962 sont aujourd'hui très largement utilisées dans notre quotidien. Ce sont elles qui génèrent les impulsions optiques porteuses d'information dans les réseaux de fibres optiques et qui nous permettent de communiquer à des débits de données toujours plus grands. Les diodes lasers se distinguent des autres lasers par le niveau élevé des changements de fréquence correspondant à une variation de puissance donnée. Le facteur d'élargissement spectral ou facteur de Henry caractérise en régime continu l'élargissement de la raie laser (et donc sa cohérence) alors qu'en régime de modulation, il détermine l'importance des effets de cette dérive de fréquence. Une connaissance précise de ce paramètre fondamental est nécessaire pour optimiser les performances des millions de diodes lasers insérées dans le réseau de communication mondial.

Gros plan sur cette découverte

La détermination du facteur d'élargissement spectral reste depuis 30 ans sujette à de très vives discussions car reposant sur des protocoles expérimentaux complexes et très sensibles aux effets thermiques.
 
La technique proposée par cette équipe de chercheurs consiste à verrouiller optiquement la diode laser par un faisceau externe injecté loin du pic de gain (side-mode injection locking). L'expérience révèle qu'il est possible, moyennant une variation des propriétés de la lumière injectée (puissance ou fréquence), de remonter à la dépendance spectrale du facteur de Henry proche du maximum de gain (région utile pour les applications). Ainsi, non seulement la technique proposée ne requiert aucune complexité dans sa mise en œuvre mais elle est insensible aux effets thermiques (le courant de polarisation de la diode laser étant constant) et in fine aux conditions d'injection.
 
Ce travail publié dans Scientific Reports a été effectué sur des diodes lasers à confinement quantique spécifiquement fabriquées par le NRC pour cette collaboration.
Cette découverte ouvre également la possibilité d'étendre ce protocole expérimental aux nouvelles sources optiques émettant dans le moyen infrarouge (MIR) utilisée pour les communications atmosphériques et aux futures puces silicium insérées dans les systèmes multicœurs de demain.

Ce travail a bénéficié de soutiens diversifiés :

Agence Nationale de la Recherche (ANR) - IDEX Paris-Saclay
The European Office of Aerospace Research & Development (EOARD)