Le concept d'optique intégrée a été proposé par le Dr Miller des Laboratoires Bell en 1969. L'optique intégrée est un domaine récent qui étudie et développe des dispositifs optiques et des systèmes hybrides optoélectroniques par des méthodes intégrées, en s'appuyant sur l'optoélectronique et la microélectronique. Ses fondements théoriques reposent sur l'optique et l'optoélectronique, et incluent l'optique ondulatoire et l'optique de l'information, l'optique non linéaire, l'optoélectronique des semi-conducteurs, l'optique cristalline, l'optique des couches minces, l'optique des ondes guidées, la théorie des modes couplés et de l'interaction paramétrique, ainsi que les dispositifs et systèmes de guides d'ondes optiques en couches minces. Ses fondements technologiques sont principalement les technologies des couches minces et la microélectronique. Les applications de l'optique intégrée sont très vastes : outre les communications par fibre optique, la détection par fibre optique, le traitement optique de l'information, l'informatique optique et le stockage optique, elle trouve des applications dans d'autres domaines tels que la recherche en science des matériaux, l'instrumentation optique et l'étude spectrale.
Premièrement, avantages optiques intégrés
1. Comparaison avec les systèmes de dispositifs optiques discrets
Un dispositif optique discret est un type de dispositif optique fixé sur une plateforme ou un socle optique de grande taille pour former un système optique. La surface du système est de l'ordre de 1 m² et l'épaisseur du faisceau est d'environ 1 cm. Outre sa taille importante, son assemblage et son réglage sont également plus complexes. Le système optique intégré présente les avantages suivants :
1. Les ondes lumineuses se propagent dans les guides d'ondes optiques, et il est facile de contrôler et de maintenir leur énergie.
2. L'intégration assure un positionnement stable. Comme mentionné précédemment, l'optique intégrée vise à fabriquer plusieurs dispositifs sur un même substrat, éliminant ainsi les problèmes d'assemblage rencontrés avec l'optique discrète. La combinaison est donc plus stable et plus adaptable aux facteurs environnementaux tels que les vibrations et les variations de température.
(3) La taille du dispositif et la longueur d'interaction sont réduites ; l'électronique associée fonctionne également à des tensions plus basses.
4. Densité de puissance élevée. La lumière transmise le long du guide d'ondes est confinée dans un petit espace local, ce qui entraîne une densité de puissance optique élevée, permettant d'atteindre facilement les seuils de fonctionnement nécessaires du dispositif et de travailler avec des effets optiques non linéaires.
5. Les optiques intégrées sont généralement intégrées sur un substrat à l'échelle centimétrique, qui est de petite taille et léger.
2. Comparaison avec les circuits intégrés
Les avantages de l'intégration optique peuvent être divisés en deux aspects : le premier consiste à remplacer le système électronique intégré (circuit intégré) par le système optique intégré (circuit optique intégré) ; le second concerne la fibre optique et le guide d'ondes optique plan diélectrique qui guident l'onde lumineuse au lieu d'un fil ou d'un câble coaxial pour transmettre le signal.
Dans un chemin optique intégré, les éléments optiques sont formés sur un substrat de silicium et reliés par des guides d'ondes optiques réalisés à l'intérieur ou à la surface du substrat. Ce chemin optique intégré, qui regroupe les éléments optiques sur un même substrat sous forme de couches minces, constitue une solution efficace pour miniaturiser les systèmes optiques existants et améliorer leurs performances globales. Le dispositif intégré présente les avantages suivants : taille réduite, fonctionnement stable et fiable, rendement élevé, faible consommation d'énergie et simplicité d'utilisation.
De manière générale, le remplacement des circuits intégrés par des circuits optiques intégrés présente plusieurs avantages : bande passante accrue, multiplexage en longueur d’onde, commutation multiplexée, faibles pertes de couplage, taille réduite, poids léger, faible consommation d’énergie, économies de production en série et haute fiabilité. Grâce aux diverses interactions entre la lumière et la matière, de nouvelles fonctionnalités peuvent être obtenues en exploitant différents effets physiques tels que l’effet photoélectrique, l’effet électro-optique, l’effet acousto-optique, l’effet magnéto-optique et l’effet thermo-optique, au sein du chemin optique intégré.
2. Recherche et application de l'optique intégrée
L'optique intégrée est largement utilisée dans divers domaines tels que l'industrie, la défense et l'économie, mais elle est principalement utilisée dans les domaines suivants :
1. Réseaux de communication et optiques
Les dispositifs optiques intégrés sont les éléments matériels clés pour réaliser des réseaux de communication optique à haut débit et à grande capacité, notamment les sources laser intégrées à réponse rapide, les multiplexeurs à répartition en longueur d'onde dense à réseau de guides d'ondes, les photodétecteurs intégrés à réponse à bande étroite, les convertisseurs de longueur d'onde de routage, les matrices de commutation optique à réponse rapide, les séparateurs de faisceau à accès multiple à faible perte pour guides d'ondes, etc.
2. Ordinateur photonique
L'ordinateur photonique est un ordinateur qui utilise la lumière comme support de transmission de l'information. Les photons sont des bosons, particules dépourvues de charge électrique, et les faisceaux lumineux peuvent se propager parallèlement ou se croiser sans interférence, ce qui lui confère une capacité intrinsèque de traitement parallèle à grande échelle. L'ordinateur photonique présente également l'avantage d'une grande capacité de stockage d'informations, d'une forte immunité aux interférences, de faibles exigences environnementales et d'une grande tolérance aux pannes. Ses composants fonctionnels de base sont les commutateurs optiques intégrés et les circuits logiques optiques intégrés.
3. Autres applications, telles que processeur d'informations optiques, capteur à fibre optique, capteur à réseau de Bragg, gyroscope à fibre optique, etc.
Date de publication : 28 juin 2023