ouvrir de nouvelles dimensions dans la technologie laser

Des chercheurs de l’EPFL ont développé un dispositif hybride qui améliore considérablement la technologie laser existante et omniprésente.

L’équipe du Laboratoire des systèmes photoniques (PHOSL) de l’EPFL a développé une source laser à l’échelle d’une puce qui améliore les performances des lasers à semi-conducteurs tout en permettant la génération de longueurs d’onde plus courtes. Ces travaux pionniers, dirigés par le professeur Camille Brès et le chercheur postdoctoral Marco Clementi de la Faculté d’ingénierie de l’EPFL, représentent une avancée significative dans le domaine de la photonique, avec des implications pour les télécommunications, la métrologie et d’autres applications de haute précision.

Intégration innovante pour une cohérence et une visibilité améliorées

L’étude, publiée dans la revue Lumière : science et applications, révèle comment les chercheurs du PHOSL, en collaboration avec le Laboratoire de photonique et de mesures quantiques, ont réussi à intégrer des lasers à semi-conducteurs avec des circuits photoniques en nitrure de silicium contenant des microrésonateurs. Cette intégration aboutit à un dispositif hybride capable d’émettre une lumière très uniforme et précise dans les plages du proche infrarouge et du visible, comblant ainsi une lacune technologique qui défie depuis longtemps l’industrie.

« Les lasers à semi-conducteurs sont omniprésents dans la technologie moderne, on les trouve dans tout, des smartphones aux communications par fibre optique. Cependant, leur potentiel a été limité par le manque de cohérence et l’incapacité à générer efficacement la lumière visible », explique le professeur Brès. « Notre travail améliore non seulement la cohérence de ces lasers, mais déplace également leur puissance vers le spectre visible, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour leur utilisation. »

La cohérence, dans ce contexte, fait référence à l’uniformité des phases des ondes lumineuses émises par le laser. Une cohérence élevée signifie que les ondes lumineuses sont synchronisées, conduisant à un faisceau avec une couleur ou une fréquence très précise. Cette propriété est cruciale pour les applications où la précision et la stabilité du faisceau laser sont primordiales, telles que le chronométrage et la détection de précision.

Précision accrue et fonctionnalité améliorée

L’approche de l’équipe consiste à coupler des lasers à semi-conducteurs disponibles dans le commerce avec une puce en nitrure de silicium. Cette petite puce est créée avec la technologie CMOS standard et rentable. Grâce aux propriétés exceptionnelles de faible perte du matériau, peu ou pas de lumière est absorbée ou s’échappe. La lumière du laser à semi-conducteur circule à travers des guides d’ondes microscopiques dans des cavités extrêmement petites, où le faisceau est piégé. Ces cavités, appelées résonateurs à micro-anneaux, sont minutieusement conçues pour résonner à des fréquences spécifiques, amplifiant sélectivement les longueurs d’onde souhaitées tout en atténuant les autres, obtenant ainsi une cohérence améliorée dans la lumière émise.

L’autre réalisation importante est la capacité du système hybride à doubler la fréquence de la lumière provenant du laser à semi-conducteur commercial, permettant ainsi de passer du spectre proche infrarouge au spectre de la lumière visible. La relation entre la fréquence et la longueur d’onde est inversement proportionnelle, ce qui signifie que si la fréquence double, la longueur d’onde est réduite de moitié. Alors que le spectre proche infrarouge est exploité pour les télécommunications, des fréquences plus élevées sont essentielles pour construire des appareils plus petits et plus efficaces où des longueurs d’onde plus courtes sont nécessaires, comme dans les horloges atomiques et les appareils médicaux.

Ces longueurs d’onde plus courtes sont obtenues lorsque la lumière piégée dans la cavité subit un processus appelé polarisation entièrement optique, qui induit ce que l’on appelle une non-linéarité de second ordre dans le nitrure de silicium. Dans ce contexte, la non-linéarité signifie qu’il y a un changement significatif, un saut d’ampleur, dans le comportement de la lumière qui n’est pas directement proportionnel à sa fréquence, résultant de son interaction avec le matériau. Le nitrure de silicium ne subit normalement pas cet effet non linéaire spécifique du second ordre, et l’équipe a réalisé une prouesse d’ingénierie élégante pour l’induire : le système tire parti de la capacité de la lumière, lorsqu’elle résonne dans la cavité, à produire une onde électromagnétique qui provoque les propriétés non linéaires. dans la matière.

Ouvrir la voie aux technologies du futur

« Nous ne nous contentons pas d’améliorer la technologie existante, nous repoussons également les limites de ce qui est possible avec les lasers à semi-conducteurs », explique Marco Clementi, qui a joué un rôle clé dans le projet. « En comblant le fossé entre les télécommunications et les longueurs d’onde visibles, nous ouvrons la porte à de nouvelles applications dans des domaines tels que l’imagerie biomédicale et la chronométrage de précision. »

L’une des applications les plus prometteuses de cette technologie est la métrologie, notamment dans le développement d’horloges atomiques compactes. L’histoire des progrès de la navigation repose sur la portabilité de montres précises, depuis la détermination de la longitude en mer au 16^ème Century pour assurer la navigation précise des missions spatiales et parvenir aujourd’hui à une meilleure géolocalisation. «Cette avancée significative jette les bases des technologies futures, dont certaines doivent encore être conçues», note Clementi.

La compréhension approfondie de l’équipe en photonique et en science des matériaux permettra potentiellement de créer des dispositifs plus petits et plus légers et de réduire la consommation d’énergie et les coûts de production des lasers. Leur capacité à prendre un concept scientifique fondamental et à le traduire en une application pratique en utilisant une fabrication conforme aux normes de l’industrie souligne le potentiel de résolution de défis technologiques complexes pouvant conduire à des progrès imprévus.