Les lasers à pureté spectrale sont au cœur des applications scientifiques et commerciales de précision haut de gamme, grâce à leur capacité à produire une lumière monochrome presque parfaite. La capacité d'un laser à le faire est mesurée en termes de largeur de raie, ou cohérence, qui est la capacité d'émettre une fréquence constante sur une certaine période de temps avant que cette fréquence ne change.

En pratique, les chercheurs se donnent beaucoup de mal pour construire des lasers à fréquence quasi unique pour les systèmes haut de gamme tels que les horloges atomiques. Aujourd'hui, cependant, parce que ces lasers sont volumineux et occupent des racks remplis d'équipements, ils sont relégués à des applications basées sur des paillasses en laboratoire.

Il y a une poussée pour déplacer les performances des lasers haut de gamme sur des micro-puces photoniques, réduisant considérablement les coûts et la taille tout en rendant la technologie disponible pour un large éventail d'applications, y compris la spectroscopie, la navigation, calcul quantique et communications optiques. Atteindre de telles performances à l'échelle de la puce permettrait également de relever le défi posé par l'explosion des besoins en capacité de données d'Internet et l'augmentation de la consommation énergétique mondiale des centres de données et de leurs interconnexions à fibre optique qui en résulte.

Dans l'article de couverture du numéro de janvier 2019 de Photonique de la nature , chercheurs de l'UC Santa Barbara et leurs collaborateurs de Honeywell, Yale et Université du Nord de l'Arizona, décrivent une étape importante dans cette quête :un laser à l'échelle de la puce capable d'émettre de la lumière avec une largeur de raie fondamentale inférieure à 1 Hz, suffisamment silencieux pour déplacer des applications scientifiques exigeantes à l'échelle de la puce. Le projet a été financé dans le cadre de l'initiative OwlG de la Defense Advanced Research Project Agency (DARPA).

Pour être impactant, ces lasers à faible largeur de raie doivent être incorporés dans des circuits intégrés photoniques (PIC) - les équivalents des micro-puces informatiques pour la lumière - qui peuvent être fabriqués à l'échelle d'une plaquette dans des fonderies de micro-puces commerciales. "À ce jour, il n'y a pas eu de méthode pour fabriquer un laser silencieux avec ce niveau de cohérence et une largeur de raie étroite à l'échelle de la puce photonique, " a déclaré le co-auteur et chef d'équipe Dan Blumenthal, professeur au Département de génie électrique et informatique de l'UC Santa Barbara. La génération actuelle de lasers à puce est intrinsèquement bruyante et a une largeur de ligne relativement importante. De nouvelles innovations ont été nécessaires qui fonctionnent dans le cadre de la physique fondamentale associée à la miniaturisation de ces lasers de haute qualité.

Spécifiquement, La DARPA était intéressée par la création d'un gyroscope optique laser à l'échelle de la puce. Important pour sa capacité à maintenir la connaissance de la position sans GPS, les gyroscopes optiques sont utilisés pour le positionnement et la navigation de précision, y compris dans la plupart des avions de ligne commerciaux.

Le gyroscope optique laser a une sensibilité à l'échelle de longueur comparable à celle du détecteur d'ondes gravitationnelles, l'un des instruments de mesure les plus précis jamais fabriqués. Mais les systèmes actuels qui atteignent cette sensibilité incorporent des bobines volumineuses de fibre optique. L'objectif du projet OwlG était de réaliser un laser ultra-silencieux (à largeur de ligne étroite) sur la puce pour remplacer la fibre en tant qu'élément de détection de rotation et permettre une intégration plus poussée avec d'autres composants du gyroscope optique.

Selon Blumenthal, il y a deux manières possibles de construire un tel laser. L'une consiste à attacher un laser à une référence optique qui doit être isolée dans l'environnement et contenue dans le vide, comme on le fait aujourd'hui avec les horloges atomiques. La cavité de référence et une boucle de rétroaction électronique agissent ensemble comme une ancre pour calmer le laser. De tels systèmes, cependant, sont grands, cher, énergivore et sensible aux perturbations de l'environnement.

L'autre approche consiste à fabriquer un laser à cavité externe dont la cavité satisfait aux exigences physiques fondamentales d'un laser à largeur de raie étroite, y compris la capacité de retenir des milliards de photons pendant une longue période et de supporter des niveaux de puissance optique interne très élevés. Traditionnellement, ces cavités sont grandes (pour contenir suffisamment de photons), et bien qu'ils aient été utilisés pour atteindre des performances élevées, leur intégration sur puce avec des largeurs de raie approchant celles des lasers stabilisés par des cavités de référence s'est avérée difficile à atteindre.

Pour surmonter ces limites, l'équipe de recherche a tiré parti d'un phénomène physique connu sous le nom de diffusion Brillouin stimulée pour construire les lasers.

"Notre approche utilise ce processus d'interaction lumière-matière dans lequel la lumière produit réellement du son, ou acoustique, ondes à l'intérieur d'un matériau, " a noté Blumenthal. " Les lasers Brillouin sont bien connus pour produire une lumière extrêmement silencieuse. Ils le font en utilisant les photons d'un laser « pompe » bruyant pour produire des ondes acoustiques, lequel, à son tour, agissent comme des coussins pour produire un nouveau calme, lumière de sortie à faible largeur de ligne. Le procédé Brillouin est très efficace, en réduisant la largeur de raie d'un laser à pompe d'entrée d'un facteur allant jusqu'à un million."

L'inconvénient est que les configurations à fibres optiques volumineuses ou les résonateurs optiques miniatures traditionnellement utilisés pour fabriquer des lasers Brillouin sont sensibles aux conditions environnementales et difficiles à fabriquer en utilisant des méthodes de fonderie de puces.

« La clé pour fabriquer notre laser Brillouin sub-Hz sur une puce photonique intégrée était d'utiliser une technologie développée à l'UC Santa Barbara :des circuits intégrés photoniques construits avec des guides d'ondes à très faible perte, à égalité avec la fibre optique, " expliqua Blumenthal. " Ces guides d'ondes à faible perte, formé dans une cavité annulaire laser Brillouin sur la puce, ont tous les ingrédients pour réussir :ils peuvent stocker un nombre extrêmement important de photons sur la puce, gérer des niveaux de puissance optique extrêmement élevés à l'intérieur de la cavité optique et guider les photons le long du guide d'ondes comme un rail guide un train monorail.

Une combinaison de guides d'ondes optiques à faible perte et d'ondes acoustiques à décroissance rapide élimine le besoin de guider les ondes acoustiques. Cette innovation est la clé du succès de cette approche.

Depuis son achèvement, cette recherche a conduit à de multiples nouveaux projets financés à la fois dans le groupe de Blumenthal et dans ceux de ses collaborateurs.