Les scientifiques de Yale ont créé un nouveau type de laser au silicium qui utilise des ondes sonores pour amplifier la lumière. Une étude sur la découverte paraît le 8 juin dans l'édition en ligne de la revue Science .

Dans les années récentes, il y a eu un intérêt croissant pour la traduction des technologies optiques - telles que les fibres optiques et les lasers en espace libre - en minuscules circuits intégrés optiques ou "photoniques". L'utilisation de la lumière plutôt que de l'électricité pour les circuits intégrés permet d'envoyer et de traiter des informations à des vitesses qui seraient impossibles avec l'électronique conventionnelle. Les chercheurs affirment que la photonique sur silicium - des circuits optiques basés sur des puces de silicium - est l'une des principales plates-formes pour de telles technologies, grâce à leur compatibilité avec la microélectronique existante.

« Nous avons assisté à une explosion de la croissance des technologies photoniques sur silicium ces dernières années, " a déclaré Peter Rakich, un professeur agrégé de physique appliquée à Yale qui a dirigé la recherche. « Non seulement commençons-nous à voir ces technologies entrer dans des produits commerciaux qui aident nos centres de données à fonctionner parfaitement, nous découvrons également de nouveaux dispositifs et technologies photoniques qui pourraient transformer tout, de la biodétection à l'information quantique sur une puce. C'est vraiment une période excitante pour le terrain."

Les chercheurs ont déclaré que cette croissance rapide a créé un besoin urgent de nouveaux lasers au silicium pour alimenter les nouveaux circuits, un problème historiquement difficile en raison de la bande interdite indirecte du silicium. "Les propriétés intrinsèques du silicium, bien que très utile pour de nombreuses technologies optiques à l'échelle de la puce, rendent extrêmement difficile la génération de lumière laser à l'aide de courant électrique, " dit Nils Otterstrom, un étudiant diplômé du laboratoire Rakich et le premier auteur de l'étude. "C'est un problème qui bloque les scientifiques depuis plus d'une décennie. Pour contourner ce problème, nous devons trouver d'autres méthodes pour amplifier la lumière sur une puce. Dans notre cas, nous utilisons une combinaison d'ondes lumineuses et sonores."

Les corrals de conception laser ont amplifié la lumière dans une forme de piste de course, la piégeant dans un mouvement circulaire. « La conception de la piste de course était un élément clé de l'innovation. De cette façon, nous pouvons maximiser l'amplification de la lumière et fournir la rétroaction nécessaire pour que le laser se produise, " dit Otterström.

Pour amplifier la lumière avec le son, le laser au silicium utilise une structure spéciale développée dans le laboratoire Rakich. "Il s'agit essentiellement d'un guide d'ondes à l'échelle nanométrique conçu pour confiner étroitement les ondes lumineuses et sonores et maximiser leur interaction, " dit Rakich.

"Ce qui est unique à propos de ce guide d'ondes, c'est qu'il y a deux canaux distincts pour la propagation de la lumière, " a ajouté Eric Kittlaus, un co-auteur de l'étude et un étudiant diplômé du laboratoire Rakich. "Cela nous permet de façonner le couplage lumière-son d'une manière qui permet des conceptions laser remarquablement robustes et flexibles."

Sans ce type de structure, les chercheurs ont expliqué, l'amplification de la lumière par le son ne serait pas possible dans le silicium. "Nous avons pris des interactions lumière-son qui étaient pratiquement absentes dans ces circuits optiques, et les ont transformés en le mécanisme d'amplification le plus puissant du silicium, " dit Rakich. " Maintenant, nous pouvons l'utiliser pour de nouveaux types de technologies laser que personne n'aurait cru possible il y a 10 ans."

Otterstrom a déclaré qu'il y avait deux défis principaux dans le développement du nouveau laser :« Premièrement, concevoir et fabriquer un dispositif où l'amplification dépasse la perte, puis découvrir la dynamique contre-intuitive de ce système, " dit-il. " Ce que nous observons, c'est que si le système est clairement un laser optique, il génère également des ondes hypersoniques très cohérentes."

L'équipe de recherche a déclaré que ces propriétés pourraient conduire à un certain nombre d'applications potentielles allant des oscillateurs intégrés à de nouveaux schémas d'encodage et de décodage des informations. "En utilisant du silicium, nous pouvons créer une multitude de conceptions laser, chacun avec une dynamique unique et des applications potentielles, " a déclaré le co-auteur Ryan Behunin, professeur adjoint à la Northern Arizona University et ancien membre du laboratoire Rakich. "Ces nouvelles capacités étendent considérablement notre capacité à contrôler et à façonner la lumière dans les circuits photoniques en silicium."