Les réseaux de communication modernes utilisent des signaux optiques pour transférer d'importantes quantités de données. Cependant, à l'instar des signaux radio de faible puissance, ces signaux optiques doivent être amplifiés pour parcourir de longues distances sans perte d'information. Les amplificateurs les plus courants, les amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA), remplissent cette fonction depuis des décennies, permettant des transmissions sur de longues distances sans nécessiter de régénération fréquente du signal. Néanmoins, leur bande passante spectrale limitée restreint le développement des réseaux optiques.
Pour répondre à la demande croissante en transmission de données à haut débit, les chercheurs explorent des solutions pour développer des amplificateurs plus puissants, flexibles et compacts. Alors même que les accélérateurs d'IA, les centres de données et les systèmes de calcul haute performance traitent des volumes de données toujours plus importants, les limites des amplificateurs optiques actuels deviennent de plus en plus évidentes.
Le besoin d'amplification à ultra-large bande (amplificateurs fonctionnant sur une gamme de longueurs d'onde plus étendue) est plus pressant que jamais. Les solutions existantes, telles que les amplificateurs Raman, offrent certaines améliorations, mais elles restent excessivement complexes et énergivores.
Des chercheurs dirigés par Tobias Kippenberg (EPFL) et Paul Seidler (IBM Research Europe - Zurich) ont mis au point un amplificateur paramétrique à ondes progressives (TWPA) sur puce photonique, capable d'amplifier des signaux à très large bande dans un format extrêmement compact. Utilisant la technologie du phosphure de gallium sur dioxyde de silicium, ce nouvel amplificateur atteint un gain net supérieur à 10 dB sur une bande passante d'environ 140 nm, soit trois fois plus large qu'un EDFA classique en bande C.
La plupart des amplificateurs utilisent des terres rares pour amplifier les signaux. À l'inverse, ce nouvel amplificateur exploite la non-linéarité optique, une propriété par laquelle la lumière interagit avec un matériau pour s'amplifier. En concevant avec précision un petit guide d'ondes spiralé, les chercheurs ont créé un espace où les ondes lumineuses se renforcent mutuellement, amplifiant ainsi les signaux faibles tout en minimisant le bruit. Cette méthode rend l'amplificateur non seulement plus efficace, mais lui permet également de fonctionner sur une gamme de longueurs d'onde beaucoup plus large, le tout dans un dispositif compact, de la taille d'une puce.
L'équipe a choisi le phosphure de gallium pour ses propriétés optiques exceptionnelles. Premièrement, il présente une forte non-linéarité optique, ce qui signifie que les ondes lumineuses qui le traversent peuvent interagir et amplifier le signal. Deuxièmement, son indice de réfraction élevé permet de confiner la lumière dans le guide d'ondes, ce qui améliore l'efficacité de l'amplification. Grâce au phosphure de gallium, les scientifiques ont obtenu un gain élevé avec un guide d'ondes de seulement quelques centimètres de long, réduisant considérablement la taille de l'amplificateur et le rendant utilisable pour les systèmes de communication optique de nouvelle génération.
Les chercheurs ont démontré que leur amplificateur sur puce pouvait atteindre un gain de 35 dB tout en conservant un faible niveau de bruit. De plus, il pouvait amplifier des signaux extrêmement faibles, supportant des puissances d'entrée variant sur plus de six ordres de grandeur. Ces caractéristiques rendent ce nouvel amplificateur particulièrement adapté à diverses applications au-delà des télécommunications, comme la détection de précision.
L'amplificateur a également amélioré les performances des peignes de fréquences optiques et des signaux de communication cohérents, deux technologies clés des réseaux optiques et de la photonique modernes, démontrant ainsi que ces circuits intégrés photoniques peuvent surpasser les systèmes d'amplification traditionnels à base de fibres.
Ce nouvel amplificateur ouvre des perspectives considérables pour l'avenir des centres de données, des processeurs d'IA et des systèmes de calcul haute performance, qui pourront bénéficier d'un transfert de données plus rapide et plus efficace. Ses applications s'étendent au-delà de la simple transmission de données et englobent la détection optique, la métrologie et même les systèmes LiDAR utilisés dans les véhicules autonomes.
Autres contributeurs
Centre EPFL pour la science et l'ingénierie quantiques
IBM Research Europe - Zurich
Financement
du programme de recherche Horizon 2020 de l'Union européenne (MICROCOMB)
Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS)
Bureau de recherche scientifique de l'armée de l'air
Références :
Kuznetsov, N., Nardi, A., Riemensberger, J., Davydova, A., Churaev, M., Seidler, P., Kippenberg, TJ. Amplificateur paramétrique à ondes progressives basé sur une puce photonique ultra-large bande. Nature, 12 mars 2025. DOI : 10.1038/s41586-025-08666-z
Auteur : Nik Papageorgiou
Source : EPFL
