Remodeler les matériaux optoélectroniques (LiNbO₃, YAG, SOI, Ge) par l'ingénierie du dopage

1 Introduction

Dans le domaine de l'optoélectronique, qui évolue rapidement aujourd'hui, la science des matériaux connaît une révolution tranquille. En dopant avec précision des matériaux optiques clés, les ingénieurs repoussent sans cesse les limites physiques de l'efficacité de la photoconversion, de la puissance de sortie des lasers et de la densité d'intégration. Si les cristaux purs possèdent d'excellentes propriétés optiques, ils présentent inévitablement des défauts à d'autres égards. La méthode précise pour remédier à ces défauts consiste à les optimiser en les dopant avec d'autres ions. Les cristaux de niobate de lithium, lorsqu'ils sont dopés avec des ions de terres rares, passent du statut de matériaux passifs à celui de supports de gain pour les lasers à bande de communication ; les cristaux YAG, lorsqu'ils sont dopés avec des ions de néodyme, deviennent le cœur des lasers industriels ; les plates-formes SOI combinées à la technologie du dopage au germanium réduisent le courant d'obscurité des photodétecteurs de plusieurs ordres de grandeur. Ces transformations sont en train de remodeler discrètement le plan de conception des puces photoniques.

Fig. 1 Différents cristaux optiques dopés

2 Niobate de lithium dopé

2.1 Propriétés et avantages du dopage du niobate de lithium

Lescristaux de niobate de lithium (LN) sont d'excellents cristaux ferroélectriques, électro-optiques et optiques non linéaires. Le LN pur présente des inconvénients, notamment une susceptibilité aux dommages causés par la lumière et une faible sensibilité d'enregistrement, lorsqu'il est utilisé comme matériau d'enregistrement holographique. Pour résoudre ces problèmes, des méthodes de dopage sont utilisées pour modifier ou améliorer les propriétés du LN. Les principaux métaux de transition dopants sont Fe, Zn, Mn et Cr, tandis que les terres rares telles que Tm, Er, Eu et Nd sont également couramment utilisées. Le Mg est également fréquemment utilisé comme dopant. Ces éléments, lorsqu'ils sont dopés dans le LN, peuvent modifier ses propriétés de manière significative. Par exemple, Zn : LN et Mg : LN peuvent améliorer la résistance du LN aux dommages causés par la lumière de plusieurs ordres de grandeur ; Fe : LN peut améliorer la sensibilité d'enregistrement du LN en tant que support d'enregistrement holographique ; et MgO : Nd : LN peut être utilisé comme cristal laser. Parfois, pour répondre à des exigences d'utilisation multiples, des méthodes de double dopage ou de multidopage sont employées pour produire du niobate de lithium, comme MgO : LN, Fe : MgO : LN, Fe : Nd : LN, Fe : Er : LN, MgO : Nd : LN et MgO : Er : LN.

Les cristaux de niobate de lithium, abrégés en LN, appartiennent au système cristallin trigonal et ont une structure de type titanite. Densité relative : 4,30 ; constantes de réseau : a = 0,5147 nm, c = 1,3856 nm ; point de fusion : 1240°C ; dureté de Mohs : 5 ; indices de réfraction : n₀ = 2,797, ne = 2.208 (λ = 600 nm) ; constantes diélectriques : ε = 44, ε = 29,5, ε = 84, ε = 30 ; coefficients électro-optiques du premier ordre γ13 = γ23 = 10 × 10 m/V, γ33 = 32 × 10 m/V. Γ22 = -γ12 = -γ61 = 6,8 × 10 m/V, coefficients non linéaires d31 = -6,3 × 10 m/V, d22 = +3,6 × 10 m/V, d33 = -47 × 10 m/V. Le niobate de lithium est un cristal ferroélectrique dont le point de Curie se situe à 1140°C et dont la force de polarisation spontanée est de 50 × 10 C/cm2. Les cristaux de niobate de lithium traités par déformation présentent des propriétés multifonctionnelles telles que la piézoélectricité, la ferroélectricité, la photovoltaïque, l'optique non linéaire et la thermoélectricité, et peuvent également présenter un effet photochromique grâce au dopage (par exemple, Fe).

Fig. 2 Cristaux de niobate de lithium dopés

2.2 Méthode de dopage

Méthode de dopage par croissance cristalline : Les oxydes de terres rares (tels que Er2O3) sont dopés pendant la méthode de tirage pour obtenir une grande uniformité du dopage, mais il est difficile de préparer des cristaux de grande taille. Compte tenu des exigences en matière de concentration et d'uniformité du dopage à l'ion erbium, l'équipe de recherche a principalement utilisé les méthodes de dopage par diffusion thermique et par implantation ionique après deux années d'expérimentation continue et a opté pour le dopage à l'ion erbium pendant la croissance des cristaux de niobate de lithium. Les plaquettes de niobate de lithium dopées à l'erbium sont ensuite transformées en films minces de niobate de lithium à base de silicium via la technologie de découpe ionique (smart-cut), ce qui permet de relever les futurs défis de l'intégration sur puce.

Méthode de dopage par diffusion thermique : Après le dépôt sous vide d'une couche de terres rares, une diffusion à haute température est appliquée. Cette méthode convient au dopage sélectif dans des zones localisées, mais l'uniformité de la concentration est limitée.

Méthode de dopage par implantation ionique : Contrôle précisément l'énergie d'injection et la dose, mais peut introduire des dommages au réseau, ce qui nécessite une réparation après recuit.

2.3 Domaines d'application

Laser à microcavité : La cavité à microdisque LNOI dopée à l'erbium (rayon de 75 μm) permet d'obtenir une sortie laser dans la bande de communication (~1550 nm) sous pompage 974/1460 nm, avec une puissance de seuil aussi basse que le niveau μW, adaptée à la communication cohérente sur puce et aux sources de lumière quantique.

Amplificateurs intégrés hétérogènes : Les guides d'ondes LNOI dopés à l'erbium intégrés avec des diodes à avalanche InP/InGaAs permettent une amplification en deux étapes des signaux optiques, avec une augmentation du gain de plus de 20 dB.

Fig. 3 Amplificateurs intégrés hétérogènes

3 YAG dopé

3.1 Propriétés de l'YAG et avantages du dopage

Legrenat d'yttrium et d'aluminium, abrégé en YAG, est un cristal synthétique d'oxyde d'aluminium dans lequel les ions d'yttrium remplacent certains ions d'aluminium. Il s'agit d'un matériau robuste doté d'une dureté, d'une densité et d'une conductivité thermique excellentes, ce qui le rend idéal pour les applications à hautes performances. Il est réputé pour ses propriétés thermiques, optiques et mécaniques exceptionnelles. Ces caractéristiques en font un choix idéal pour les applications technologiques telles que les lasers et l'optique. Cet article propose une comparaison approfondie entre les cristaux YAG purs et les cristaux YAG dopés aux terres rares.

Les cristaux YAG dopés aux terres rares sont essentiellement des cristaux YAG imprégnés de certains éléments de terres rares. Les éléments les plus couramment utilisés pour le dopage sont le néodyme (Nd), l'erbium (Er) et l'yttrium (Yb). Ces éléments améliorent considérablement les performances des cristaux YAG dans certaines applications, en particulier dans la technologie laser.

Les cristaux YAG dopés aux terres rares héritent des excellentes propriétés physiques des cristaux YAG purs, telles qu'une dureté, une densité et une conductivité thermique élevées. Cependant, l'incorporation d'éléments de terres rares confère à ces cristaux des propriétés optiques uniques. Par exemple, ils peuvent générer une lumière laser efficace et puissante, une caractéristique très appréciée dans diverses industries.

Le choix des éléments dopants joue un rôle crucial dans la définition des caractéristiques des cristaux YAG dopés. Par exemple, les cristaux YAG dopés au néodyme (Nd : YAG) sont réputés pour leur efficacité à générer des lasers de grande puissance. D'autre part, les cristaux YAG dopés à l'erbium (Er : YAG) émettent de la lumière à des longueurs d'onde fortement absorbées par l'eau, ce qui en fait un choix idéal pour les applications médicales et dentaires.

Fig. 4 Grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodimium (Nd : YAG)

3.2 Méthodes de préparation et de dopage des cristaux de YAG

La préparation de cristaux de YAG purs implique l'utilisation d'une technologie à haute température et à haute pression pour la synthèse artificielle. Ce processus implique la méthode Czochralski, dans laquelle des cristaux de semence sont immergés dans un mélange fondu d'yttrium, d'aluminium et d'oxygène. Les cristaux sont ensuite lentement retirés, ce qui permet la formation de cristaux uniques au fur et à mesure que le mélange fondu refroidit et se solidifie. Les cristaux ainsi obtenus sont soigneusement taillés et polis, prêts à être utilisés dans toute une série d'applications. Comme les cristaux purs, les cristaux de YAG dopés aux terres rares sont synthétisés à l'aide de la méthode Czochralski. Toutefois, dans ce processus, des terres rares spécifiques sont introduites dans le mélange fondu. Ces éléments remplacent une petite partie des ions d'yttrium dans la structure cristalline, formant ainsi un cristal YAG dopé. Le produit final conserve non seulement les excellentes propriétés des cristaux de YAG purs, mais présente également des caractéristiques améliorées en raison de la présence des éléments dopés.

Fig. 5 Méthode Czochralski

3.3 Systèmes de dopage typiques et performances

Nd:YAG : le matériau laser le plus utilisé, avec une longueur d'onde de sortie de 1064 nm. Lorsque la concentration en Nd³⁺ est d'environ 1 %, il équilibre un gain élevé avec de faibles effets thermiques, ce qui le rend approprié pour la découpe industrielle et les lasers médicaux.

Yb:YAG : Faible défaut quantique (seulement 8 %) et faible charge thermique, adapté aux lasers à puissance moyenne élevée (classe des kilowatts). La bande d'absorption se situe à 940 nm, ce qui est très compatible avec les sources de pompage à diode.

Er:YAG : émet une lumière infrarouge moyenne de 2940 nm, fortement absorbée par les molécules d'eau, ce qui en fait un choix idéal pour les applications médicales au laser (telles que la dentisterie et la dermatologie).

Ce:YAG : convertit la lumière bleue des LED en lumière jaune, qui se combine avec la lumière bleue restante pour former une lumière blanche, servant de matériau fluorescent de base pour l'éclairage à semi-conducteurs.

4 SOI dopé

La principale différence entre la technologie SOI (Silicium sur Isolant) et les structures MOS traditionnelles en silicium massif réside dans l'introduction d'une couche d'oxyde enfouie (BOX).

Tableau 1 Comparaison des différents types de SOI dopé

Fig. 6 Structure de la plaquette SOI

5 Applications pionnières des cristaux dopés

Dans le domaine de la photonique et de la technologie quantique, qui évolue rapidement aujourd'hui, trois systèmes de matériaux fondamentaux sont en train de remodeler le paysage industriel grâce à des innovations perturbatrices : le niobate de lithium (LN), considéré comme le "silicium optique" ; le grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG), pierre angulaire des lasers à haute puissance ; et les plates-formes de silicium sur isolant (SOI), qui dépassent les limites des technologies basées sur le silicium. Les techniques de dopage et les solutions d'intégration hétérogène pour ces matériaux créent un écosystème technologique complet couvrant des applications allant de la communication quantique aux lasers industriels.

5.1 Applications du niobate de lithium

Le niobate de lithium étant le cristal ferroélectrique ayant le coefficient optique non linéaire le plus élevé, les percées réalisées dans la technologie de dopage du niobate de lithium permettent de libérer tout son potentiel. Le laser à microdisque en couche mince de niobate de lithium dopé Er3+ (Er : LNOI) mis au point par l'équipe de l'Académie chinoise des sciences atteint une puissance de seuil de μW et une largeur de raie ultra-fine de <1 kHz sous un pompage à 1460 nm. Ces performances en font une source lumineuse idéale pour les systèmes de mesure de précision quantique. Le schéma du laser hybride électropompé est encore plus frappant : en intégrant des matériaux InP à la plateforme LNOI à l'aide de la technologie d'impression par micro-transfert, la puissance de sortie dépasse le niveau de 100 mW, ce qui répond directement aux exigences de puissance des modules optiques des stations de base 5G et des systèmes lidar.

Dans le domaine des modulateurs, la technologie du "couteau ionique universel" lie des couches minces de niobate de lithium à des plaquettes SOI, produisant des modulateurs électro-optiques qui supportent une transmission à haut débit de 192 Gbit/s avec une excellente planéité de la réponse à basse fréquence. Cette solution d'intégration hétérogène permet non seulement de remédier à la faiblesse fondamentale des matériaux à base de silicium en matière d'effets électro-optiques, mais aussi de réduire de 30 % la consommation d'énergie des interconnexions optiques des centres de données. La conception synergique du niobate de lithium à pôles périodiques (PPLN) et de l'Er³⁺ a donné naissance à une source lumineuse à double longueur d'onde : lumière violette de 405 nm pour l'affichage holographique et lumière verte de 550 nm comme source de lumière pour la manipulation de bits quantiques, démontrant une nouvelle voie pour la fonctionnalisation des matériaux.

Le noircissement par laser femtoseconde de la technologie du niobate de lithium est particulièrement remarquable. Grâce à la micro-nano-structuration de la surface, ce matériau permet de réduire de deux ordres de grandeur la perte optique et de tripler la réponse non linéaire lors de la génération d'impulsions ultrarapides, ce qui en fait un composant clé pour les détecteurs à haute sensibilité et les systèmes de détection quantique.

5.2 Applications du YAG dopé

Les cristaux de grenat d'yttrium et d'aluminium, avec leur excellente stabilité thermique, dépassent les limites de puissance des lasers traditionnels grâce aux technologies de dopage par gradient et de codopage ionique. Les cristaux de Nd : YAG à gradient de concentration axiale (0,17-0,38 at.%) conçus par l'Institut des sciences physiques de Hefei de l'Académie chinoise des sciences permettent d'augmenter de 42 % la longueur focale de la lentille thermique et de réduire la contrainte thermique à 60 % de celle des structures traditionnelles en contrôlant avec précision la distribution de la concentration de dopants. Avec un pompage à 808 nm, le système maintient une croissance linéaire de la puissance à une puissance de sortie de 110 W, avec une efficacité lumière à lumière de 51,9 %, un chiffre proche de la limite théorique des supports laser.

Une avancée plus révolutionnaire est observée dans la conception du laser à commutation Q : le système Nd : YAG optimisé à une tige produit 12 W à 1064 nm à une fréquence de 2 kHz, avec une puissance de crête de 882 kW, une qualité de faisceau M2 < 1,25 et une luminosité métrique de 5,02 × 10^13 W/(cm2-Sr), établissant ainsi un nouveau record pour des dispositifs similaires. Cette source lumineuse à haute luminosité révolutionne les règles du jeu dans le traitement de précision et la chirurgie médicale - dans le domaine du microprocesseur laser femtoseconde, le diamètre de son spot focalisé peut être comprimé à moins de 5 μm ; dans la chirurgie ophtalmique, elle permet une découpe précise sans dommage thermique.

Dans le domaine des matériaux luminescents, les céramiques transparentes (Gd, Lu)3Al5O12:Tb3+/Eu3+ permettent de passer d'une émission verte à une émission rouge grâce à des mécanismes de transfert d'énergie, avec une augmentation de 30 % de l'efficacité quantique. Ce matériau accordable a permis de couvrir 95 % de la gamme de couleurs NTSC en micro-projection, tandis que les propriétés de résistance aux rayonnements des céramiques YAG dopées au Ce3+ en font un composant essentiel des processeurs embarqués des vaisseaux spatiaux, avec un taux de retournement d'une seule particule réduit de 87,5 % par rapport aux dispositifs traditionnels.

5.3 Applications des matériaux SOI dopés

La technologie du silicium sur isolant (SOI), grâce au dopage au germanium et à l'hétéro-intégration, permet de dépasser les limites de la bande interdite des matériaux en silicium. Dans le domaine des photodétecteurs, la technologie de dopage à gradient SiGe combinée à une couche barrière de nitrure de silicium a permis d'améliorer l'efficacité quantique dans la bande de longueur d'onde 1310/1550 nm à plus de 90 % et de réduire le courant d'obscurité au niveau de 0,1 nA. Les détecteurs en silicium noir préparés à l'aide d'un dopage sursaturé par laser femtoseconde présentent des concentrations de dopage en soufre/sélénium supérieures à 10¹⁹ cm-3, avec une plage de réponse spectrale étendue à 400-1700 nm. Ces dispositifs flexibles ont été testés sur le terrain dans des systèmes optoélectroniques de véhicules aériens sans pilote (UAV).

À l'avant-garde de la photonique intégrée, les modulateurs électro-optiques en niobate de lithium-SOI collés au niveau de la plaquette démontrent une largeur de bande de modulation de 40 GHz, avec une consommation d'énergie réduite de 30 % par rapport aux solutions traditionnelles, parfaitement adaptée aux exigences de la communication à ondes millimétriques 5G/6G. L'intégration monolithique d'amplificateurs LNOI dopés à l'erbium (gain > 20 dB) avec des diodes à avalanche InGaAs a permis de pousser la sensibilité des récepteurs de communication optique au-delà de -30 dBm. Cette technologie a été validée par une transmission sans relais sur 1 000 kilomètres dans des systèmes de câbles sous-marins.

Fig. 7 Applications de l'intégration photonique à base de silicium dans le domaine des télécommunications

6 Perspectives d'avenir : Synergie des matériaux et intégration des systèmes

Les percées réalisées dans ces trois systèmes de matériaux ne sont pas des développements isolés, mais présentent des effets synergiques significatifs. La combinaison de la non-linéarité élevée du niobate de lithium et de la compatibilité CMOS du SOI donne naissance à des circuits intégrés photoniques à très faibles pertes. Parallèlement, les caractéristiques de haute puissance du YAG combinées à la modulation électro-optique du niobate de lithium peuvent conduire au développement d'une nouvelle génération de modules d'émission lidar. Au fur et à mesure que la technologie d'intégration hybride au niveau de la tranche arrive à maturité, les puces photoniques passent du statut de composants discrets à celui de systèmes multifonctionnels - de la distribution de clés quantiques à l'informatique optique de l'intelligence artificielle, du traitement laser industriel à l'imagerie biomédicale. Cette révolution des matériaux redéfinit les limites de la technologie photonique.

Le passage de ces matériaux avancés de la recherche à l'application dans le monde réel dépend d'une chaîne d'approvisionnement solide en substrats et en plaquettes de haute qualité. À Stanford Advanced Materials (SAM), nous fournissons les matériaux de base, notamment des cristaux de niobate de lithium et de YAG de haute pureté, ainsi que des plaquettes SOI spécialisées, qui permettent les innovations en matière de lasers, de modulateurs et d'intégration photonique dont il est question dans cet article. Nous nous engageons à aider les chercheurs et les ingénieurs à transformer le plan de conception des puces photoniques en réalité commerciale.