Les chercheurs ont conçu une nouvelle source de lumière intégrée à la puce qui peut transformer les longueurs d'onde infrarouges en longueurs d'onde visibles, qui ont été difficiles à produire avec une technologie basée sur des puces de silicium. Cette approche flexible de la génération de lumière sur puce est prête à permettre une instrumentation photonique hautement miniaturisée, facile à fabriquer et suffisamment robuste pour être utilisée en dehors du laboratoire.

Dans Optique , Le journal de l'Optical Society (OSA) pour la recherche à fort impact, chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), Université du Maryland, et l'Université du Colorado décrivent leur nouvelle source lumineuse d'oscillateur paramétrique optique (OPO) et montrent qu'elle peut produire une lumière de sortie d'une couleur très différente, ou longueur d'onde, que la lumière d'entrée. En plus de créer de la lumière aux longueurs d'onde visibles, l'OPO génère simultanément des longueurs d'onde dans le proche infrarouge qui peuvent être utilisées pour des applications de télécommunication.

"Notre approche flexible et économe en énergie génère une lumière laser cohérente sur une gamme de longueurs d'onde plus large que celle accessible à partir des lasers directs intégrés à la puce, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Kartik Srinivasan. " La création sur puce de lumière visible peut être utilisée dans le cadre d'appareils compacts hautement fonctionnels tels que des horloges atomiques à puce ou des appareils pour des analyses biochimiques portables. Le développement de l'OPO dans une plate-forme photonique sur silicium crée le potentiel de fabrication évolutive de ces dispositifs dans des fonderies de fabrication commerciales, ce qui pourrait rendre cette approche très rentable. »

Exploiter les processus non linéaires

Bien que la réponse d'un matériau à la lumière évolue généralement de manière linéaire, les propriétés des matériaux peuvent changer plus rapidement en réponse à la lumière à haute puissance, ce qui crée divers effets non linéaires. Les OPO sont un type de laser qui utilise des effets optiques non linéaires pour créer une très large gamme de longueurs d'onde de sortie.

Les chercheurs voulaient comprendre comment prendre l'émission laser à une longueur d'onde facilement disponible avec les lasers à puce compacte et la combiner avec la nanophotonique non linéaire pour générer de la lumière laser à des longueurs d'onde qui seraient autrement difficiles à atteindre avec les plates-formes photoniques au silicium.

"Les technologies optiques non linéaires sont déjà utilisées comme composants intégrés des lasers dans les meilleures horloges atomiques du monde et de nombreux systèmes de spectroscopie de laboratoire, " dit Xiyuan Lu, premier auteur de l'article et chercheur postdoctoral NIST-Université du Maryland. "Être capable d'accéder à différents types de fonctionnalités optiques non linéaires, y compris les OPO, au sein de la photonique intégrée est important pour la transition des technologies actuellement basées dans les laboratoires vers des plates-formes portables et pouvant être déployées sur le terrain. »

Dans le nouveau travail, les chercheurs ont conçu un OPO basé sur un micro-anneau en nitrure de silicium. Ce composant optique est alimenté par environ 1 milliwatt de puissance laser infrarouge, soit à peu près la même quantité de puissance que celle d'un pointeur laser. Au fur et à mesure que la lumière se déplace autour du microanneau, son intensité optique augmente jusqu'à ce qu'elle soit suffisamment puissante pour créer une réponse optique non linéaire dans le nitrure de silicium. Cela permet la conversion de fréquence, un processus non linéaire qui peut être utilisé pour produire une longueur d'onde de sortie, ou fréquence, c'est différent de celui de la lumière entrant dans le système.

"Les récents progrès de l'ingénierie nanophotonique ont rendu cette méthode de conversion de fréquence très efficace, " a déclaré Lu. " Une avancée clé dans notre travail a été de trouver comment promouvoir l'interaction non linéaire spécifique d'intérêt tout en supprimant les processus non linéaires concurrents potentiels qui peuvent survenir dans ce système. "

Test de la source lumineuse

Les chercheurs ont conçu la nouvelle source lumineuse sur puce à l'aide de simulations électromagnétiques détaillées. Ils ont ensuite fabriqué l'appareil et l'ont utilisé pour convertir la lumière d'entrée de 900 nanomètres en bandes de longueur d'onde de 700 nanomètres (visible) et de 1300 nanomètres (télécommunications). L'OPO a accompli cela en utilisant moins de 2% de la puissance du laser de pompage requise par les OPO de microrésonateur précédemment rapportés développés pour générer des couleurs de sortie largement séparées. Dans les cas précédents, les deux couleurs générées étaient dans l'infrarouge. Avec quelques modifications simples des dimensions du microanneau, l'OPO a également produit de la lumière dans les bandes de télécommunications visibles à 780 nm et à 1 500 nanomètres.

Les chercheurs disent que le nouvel OPO pourrait être utilisé pour créer un système complet en combinant une diode laser proche infrarouge commerciale peu coûteuse avec une puce OPO qui intègre également des composants tels que des filtres, détecteurs et une section de spectroscopie. Ils continuent de chercher des moyens d'augmenter la puissance de sortie générée par l'OPO.

"Ce travail démontre que la nanophotonique non linéaire atteint un niveau de maturité où nous pouvons créer une conception qui connecte des longueurs d'onde largement séparées, puis obtenir un contrôle de fabrication suffisant pour réaliser cette conception, et les performances prévues, en pratique, " dit Srinivasan. " A l'avenir, il devrait être possible de générer une large gamme de longueurs d'onde souhaitées en utilisant un petit nombre de lasers à puces compacts combinés à une nanophotonique non linéaire flexible et polyvalente."