Photonique intégrée sur verre

Le verre est un matériau très intéressant en tant que plateforme optique du fait de ses caractéristiques optiques et mécaniques, mais également d’un point de vue du développement durable. La silice, principal composant du verre, est un matériau abondant sur terre assez peu soumis à des problèmes d’approvisionnement. Le verre possède une filière industrielle de recyclage déjà en place. De plus il présente des pertes diélectriques faibles dans les fréquences RF et est donc bien adapté en tant qu’interposeur pour des fonctions optoélectroniques à haute fréquence. Son excellente durabilité chimique nous a permis de développer des capteurs multimodaux compatibles avec des milieux biologiques ou des milieux extrêmement acides (capteurs pour le nucléaire). Par ailleurs, le verre possède des coefficients non-linéaires et d’absorption à deux photons extrêmement bas. Il est donc bien adapté à l’intégration hétérogène de matériaux présentant des propriétés optiques complémentaires. Dans ce but, nous avons développé des techniques d’adhérence moléculaire et d’amincissement de manière à intégrer des milieux à gain et/ou non-linéaires, des matériaux magnéto-optiques ou des cristaux pour les mémoires quantiques sur nos guides d’ondes.

Trois activités sont développées au sein du thème :

Lasers

Laser pour la génération de signaux THz. Des techniques d’échange d’ions sont utilisées pour réaliser des guides optiques monomodes sur des verres co-dopés erbium-ytterbium, puis ces structures sont associées par adhérence moléculaire avec des réseaux de Bragg photo-inscrits dans des verres passifs, permettant de concevoir des lasers DFB continus fonctionnant dans la bande C (1550 nm). Ces dispositifs sont encapsulés, ce qui les protège mécaniquem ent et les rend moins sensibles aux variations de température extérieure. Nous avons développé des puces optiques contenant plusieurs lasers émettant des longueurs d’onde différentes en vue de générer, à l’aide d’une photodiode rapide, des signaux radiofréquence par le battement optique entre deux raies. Nous avons ainsi démontré la génération de signaux de quelques dizaines de MHz jusqu’à 285GHz (cf. Figure 1). La très haute cohérence intrinsèque de chaque laser permet d’obtenir des signaux THz dont la largeur de raie est de l’ordre du kHz tout en étant peu sensible à la température de fonctionnement (dérive inférieure à 15MHz sur 15min sans régulation thermique), et ce sans système de contre réaction ou de stabilisation thermique. Le projet ANR PICOTE(2023-2027), piloté par l’équipe, vise à associer ces lasers avec des modulateurs en niobate de lithium, fabriqués par notre partenaire industriel Exail, afin de mettre en boîtier un dispositif multi-puces verre-LiNbO3 dédié aux communications haut débit THz (IEMN et IES).

Laser impulsionnels. En parallèle, une activité autour des lasers impulsionnels intégrés sur verre existe au laboratoire depuis une vingtaine d’années. Ils nécessitent d’intégrer un matériau absorbant saturable, qui permet le déclenchement des impulsions. Nos premiers travaux utilisaient un absorbant saturable organique (molécule de colorant associée à un polymère), qui a montré des limites en termes de tenue au flux optique et de durabilité. Ces dispositifs ont malgré tout donné d’excellents résultats puisqu’ils ont par exemple permis de mettre au point des sources à supercontinuum à base de lasers intégrés. Avec le projet ANR CRUMBLE (2022-2026), piloté au laboratoire, nous souhaitons mettre au point un nouveau matériau absorbant saturable permettant de dépasser les limitations rencontrées précédemment. La piste principale que nous explorons concerne un matériau sol-gel dopé par des nanocristaux de YAG:Cr⁴⁺ qui permettront un fonctionnement en régime Q-SWITCH. Le défi est ici de mettre en forme ce matériaux déjà utilisé en tant qu’absorbant saturable dans des cavités laser en optique de volume, sous forme de couche mince, tout en préservant ses propriétés optiques. L’intérêt du sol-gel en tant que matrice hôte est sa compatibilité avec le procédé d’échange d’ions, notamment en termes de budget thermique (collab. CROMA, LaHC, ICCF, Teem-Photonics).

Depuis 2023, des travaux sont également menés sur la réalisation de lasers à blocage de modes passif intégrés sur verre pour la génération d’impulsions ultra-brèves (sub-picosecondes). Nous étudions une nouvelle approche pour leur intégration sur puce grâce à l’hybridation de composants actifs (guides amplificateurs), passifs (miroir, multiplexeur, coupleur de sortie) et de l’absorbant saturable (à semiconducteur) sur un même substrat (collab. C2N).

Exemples de références :

• Léo Hétier, Julien Poëtte, Lionel Bastard, Jean-François Roux, Pierre-Baptiste Vigneron, Jean-Emmanuel Broquin, "THz generation by beating of self-running Er-based ion-exchanged DFB lasers co-integrated on one single chip," Proc. SPIE 12424, Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies XXVII, 124240F (17 March 2023); https://doi.org/10.1117/12.2650510

Capteurs photoniques

Détection de pollution dans les milieux aqueux. Un capteur innovant pour surveiller la pollution de l’eau a été développé grâce à une collaboration académique (CROMA, IGE, G2Elab, CBSA, COBRA) et une thèse (2021-2024). Il repose sur la détection de la viabilité de bactéries sensibles à des polluants spécifiques. Une force de diélectrophorèse trie spatialement les bactéries mortes et vivantes, tandis qu’un guide photonique mesure les pertes de diffusion optiques en fonction du ratio bactéries mortes/vivantes, indiquant ainsi la présence de polluants (cf. figure 2). Un circuit microfluidique co-intégré gère le fluide. L’utilisation de bactéries sentinelles non OGM évite la nécessité de fonctionnalisation de surface, augmentant la durabilité et facilitant le nettoyage. Un prototype initial a validé le principe sur des microbilles de polystyrène, et des essais avec des bactéries E. coli ont confirmé le tri spatial et la détection optique. Ce capteur met à profit l’excellente compatibilité de la plateforme photonique sur verre avec les milieux aqueux et biologiques. Il s’intègre dans un projet de capteur environnemental multi-physique mené par les équipes DHREAMS et CROMA.

Détection de pollution atmosphérique. Dans le cadre du projet européen RAVEN, débuté en 2024 porté par l’Université Eastern Finland, un capteur de gaz sur verre est en cours de développement. Il utilise la détection par onde évanescente et les ondes de surface de Bloch. L’architecture repose sur une spirale intégrée sur verre (offrant faible perte optique et large bande passante) et un filtre diélectrique multicouche (sensibilité élevée et accordabilité en longueur d’onde). Ce projet découle de la chaire d’excellence Nokia attribuée à Jean-Emmanuel Broquin en 2021.

Mesure de l’oxygène dissous. Depuis 2016, une collaboration avec l’équipe FunSurf du LMGP a conduit à une thèse (2019-2023) sur un capteur d’oxygène dissous. Il repose sur des couches sol-gel dopées d’un luminophore à base de Rhuténium, dont la photoémission varie en fonction de l’oxygène. Les couches sont photosensibles et déposées sur un substrat en verre optique, on peut obtenir des guides d’onde avec des réseaux de diffraction, grâce à un simple procédé de photolithographie directe. CROMA a contribué à la modélisation et caractérisation des guides et coupleurs optiques, facilitant l’alignement des fibres d’excitation. Ce travail a permis d’améliorer l’efficacité du couplage lumineux tout en réduisant les contraintes d’alignement optique de la fibre transportant le signal d’excitat ion à 450 nm.

Spectromètre intégré. Depuis une décennie, des travaux ont porté sur le développement de spectromètres SWIFTS à haute résolution. Une version pour le visible a été transférée à une start-up acquise par le groupe Merk. Les recherches actuelles visent à adapter le SWIFTS au proche et moyen infra-rouge, en collaboration avec l’IPAG, FEMTO/ST, le LaHC et l’Université de Salamanca. Un projet soutenu par larégion AURA et le Labex FOCUS travaille sur une version NIR sur puce en verre avec TEEM Photonics. Des nano-antennes ont été spécialement désignées et réalisées sur une puce en optique intégrée sur verre pour avoir pour la première fois un spectromètre SWIFTS monolithique sans optique de relais dans le NIR. L’objectif est d’utiliser cet instrument pour l’analyse laser et le développement de capteurs de gaz. La modélisation des antennes s’est appuyée sur un outil numérique A-DM-FFF, optimisant le calcul des coefficients de réflexion (cf. figure 3). Ces outils découlent du projet ANR ODISSEA (collab. CROMA, LNIO, SURYS), initialement dédié aux réseaux diffractants pour la sécurité visuelle. Ils ont également été utilisés pour modéliser des réseaux dédiés à la mesure de l’oxygène dissous ou aux applications Térahertz dans le projet AURA AUTHANTIC.

Exemples de références :

1. Myriam Bonduelle, Irene Heras, Alain Morand, Gwenn Ulliac, Roland Salut, Nadege Courjal, and Guillermo Martin, "Near IR stationary wave Fourier transform lambda meter in lithium niobate: multiplexing and improving optical sampling using spatially shifted nanogroove antenna," Appl. Opt. 60, D83-D92 (2021)

 

Hybridations / Technologies émergentes

Développement technologiques - Hybridation. Dans l’objectif d’intégrer de nouvelles fonctions à la plateforme de photonique intégrée sur verre développée au laboratoire, des recherches sont menées sur le développement de structures hybrides combinant le verre à divers autres matériaux. Des collaborations avec ST Microelectronics et le CEA-LETI ont notamment mené au développement de dispositifs hybrides verre/silicium et III-V/silicium. Le projet IMPEQ, (IRGA -UGA) porté par le laboratoire, a permis d’initier une collaboration avec l’Institut Néel (équipe NPSC) pour réaliser des mémoires optiques quantiques exploitant un guide hybridant substrat de verre et couche mince d’un cristal d’Er:Y₂SiO₅. Ces travaux sont aujourd’hui poursuivis dans le cadre du projet ciblé QMemo du PEPR Quantique. Jean-Emmanuel Broquin a obtenu en 2020 la Chaire d’Excellence de la Fondation Nokia pour développer des amplificateurs optiques et des sources à supercontinuum grâce aux structures hybrides sur verre, en collaboration avec plusieurs universités finlandaises (Aalto, Tampere et University of Eastern Finland). En 2021, un nouveau MCF a rejoint l’équipe pour renforcer cette thématique. Depuis 2024, l’équipe participe également au projet Q-Loop de l’IRT Nanoelec, qui vise à développer des interposeurs optiques pour fonctionner à des températures cryogéniques, en collaboration avec le CEA-LETI et le C2N.

Photonique intégrée pour le calcul neuromorphique et la sécurité. La photonique intégrée offre des avantages pour le développement de nouvelles architectures informatiques et de couches de sécurité. Ces deux applications bénéficient du grand nombre de degrés de liberté présents en photonique, des plateformes à faibles pertes de propagation, de larges bandes passantes ainsi que du mélange complexe des chemins de données optiques. Plusieurs projets explorent des solutions optimales pour des systèmes économes en énergie et sécurisés.

Le projet Horizon Europe NEUROPULS, coordonné par CROMA (15 partenaires au total), vise à développer un accélérateur photonique interfacé avec RISC-V en utilisant des matériaux à changement de phase pour des poids synaptiques sans perte (en inférence) et plastiques. Les nouvelles architectures d'accélérateurs que nous étudions conjointement avec U-GENT, HPE et POLITO seront protégées par un type spécifique de primitive de sécurité : les structures physiques non clonables (PUF), en cours de développement au laboratoire. Elles garantissent la sécurité de l’accélérateur en servant de racine de confiance, facilitant ainsi l’authentification, l’attestation logicielle et le chiffrement des données. Comparées à d’autres solutions PUF adaptées au domaine numérique, les PUFs photoniques promettent une plus grande résilience face aux attaques par modélisation ML ainsi qu’une meilleure efficacité énergétique. Un des principaux défis et de les rendre compatibles avec la filière CMOS. Nous nous intéressons également à leur développement pour des applications iOT.