Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Maryland ont développé une technologie de micropuce qui peut convertir la lumière laser invisible dans le proche infrarouge en n'importe laquelle d'une panoplie de couleurs laser visibles, y compris le rouge, Orange, jaune et vert. Leurs travaux offrent une nouvelle approche pour générer de la lumière laser sur des micropuces intégrées.

La technique a des applications dans le chronométrage de précision et la science de l'information quantique, qui reposent souvent sur des systèmes atomiques ou à semi-conducteurs qui doivent être pilotés avec de la lumière laser visible à des longueurs d'onde spécifiées avec précision. L'approche suggère qu'il est possible d'accéder à une large gamme de ces longueurs d'onde à l'aide d'un seul plate-forme à petite échelle, au lieu d'exiger encombrant, lasers de table ou une série de différents matériaux semi-conducteurs. La construction de tels lasers sur des micropuces fournit également un moyen peu coûteux d'intégrer des lasers avec des circuits optiques miniatures nécessaires aux horloges optiques et aux systèmes de communication quantique.

L'étude, rapporté dans le numéro du 20 octobre de Optique , contribue au NIST sur une puce, un programme qui miniaturise la technologie de pointe de la science de la mesure du NIST, lui permettant d'être distribué directement aux utilisateurs de l'industrie, Médicament, la défense et le monde universitaire.

Les systèmes atomiques qui constituent le cœur des horloges expérimentales les plus précises et les plus précises et les nouveaux outils pour la science de l'information quantique reposent généralement sur la lumière laser visible (optique) à haute fréquence pour fonctionner, par opposition aux micro-ondes de fréquence beaucoup plus basse qui sont utilisées pour régler l'heure officielle dans le monde entier.

Les scientifiques développent actuellement des technologies de systèmes optiques atomiques qui sont compactes et fonctionnent à faible puissance afin qu'elles puissent être utilisées en dehors du laboratoire. Bien que de nombreux éléments différents soient nécessaires pour réaliser une telle vision, un ingrédient clé est l'accès à des systèmes laser à lumière visible qui sont petits, léger et fonctionne à faible puissance.

Bien que les chercheurs aient fait de grands progrès dans la création de compacts, des lasers hautes performances aux longueurs d'onde du proche infrarouge utilisés dans les télécommunications, il a été difficile d'atteindre des performances équivalentes aux longueurs d'onde visibles. Certains scientifiques ont fait des progrès en utilisant des matériaux semi-conducteurs pour générer des lasers compacts à lumière visible. En revanche, Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan et leurs collègues du NIST et de l'Université du Maryland à College Park ont ​​adopté une approche différente, en se concentrant sur un matériau appelé nitrure de silicium, qui a une réponse non linéaire prononcée à la lumière.

Les matériaux tels que le nitrure de silicium ont une propriété particulière :si la lumière entrante a une intensité suffisamment élevée, la couleur de la lumière sortante ne correspond pas nécessairement à la couleur de la lumière entrante. En effet, lorsque des électrons liés dans un matériau optique non linéaire interagissent avec une lumière incidente de haute intensité, les électrons re-rayonnent cette lumière à des fréquences, ou couleurs, qui diffèrent de celles de la lumière incidente.

(Cet effet contraste avec l'expérience quotidienne de voir la lumière rebondir sur un miroir ou se réfracter à travers une lentille. Dans ces cas, la couleur de la lumière reste toujours la même.)

Lu et ses collègues ont utilisé un processus connu sous le nom d'oscillation paramétrique optique de troisième ordre (OPO), dans lequel le matériau non linéaire convertit la lumière incidente dans le proche infrarouge en deux fréquences différentes. L'une des fréquences est supérieure à celle de la lumière incidente, en le plaçant dans le domaine visible, et l'autre est plus basse en fréquence, s'étendant plus profondément dans l'infrarouge. Bien que les chercheurs aient utilisé OPO pendant des années pour créer différentes couleurs de lumière en grand, instruments optiques de table, la nouvelle étude dirigée par le NIST est la première à appliquer cet effet pour produire des longueurs d'onde de lumière visible particulières sur une micropuce qui a le potentiel pour la production de masse.

Pour miniaturiser la méthode OPO, les chercheurs ont dirigé la lumière laser proche infrarouge dans un microrésonateur, un dispositif en forme d'anneau de moins d'un millionième de mètre carré et fabriqué sur une puce de silicium. La lumière à l'intérieur de ce microrésonateur en circule 5, 000 fois avant qu'il ne se dissipe, construire une intensité suffisamment élevée pour accéder au régime non linéaire où elle est convertie aux deux fréquences de sortie différentes.

Pour créer une multitude de couleurs visibles et infrarouges, l'équipe a fabriqué des dizaines de microrésonateurs, chacun avec des dimensions légèrement différentes, sur chaque puce électronique. Les chercheurs ont soigneusement choisi ces dimensions afin que les différents microrésonateurs produisent une lumière de sortie de différentes couleurs. L'équipe a montré que cette stratégie permettait à un seul laser proche infrarouge dont la longueur d'onde variait relativement peu de générer une large gamme de couleurs spécifiques de la lumière visible et infrarouge.

En particulier, bien que le laser d'entrée fonctionne sur une plage étroite de longueurs d'onde du proche infrarouge (de 780 nanomètres à 790 nm), le système de micropuce a généré des couleurs de lumière visible allant du vert au rouge (560 nm à 760 nm) et des longueurs d'onde infrarouges allant de 800 nm à 1, 200 nm.

"L'avantage de notre approche est que l'une de ces longueurs d'onde est accessible simplement en ajustant les dimensions de nos microrésonateurs, " dit Srinivasan.

« Bien qu'une première démonstration, " Lu dit, "Nous sommes ravis de la possibilité de combiner cette technique d'optique non linéaire avec une technologie laser proche infrarouge bien établie pour créer de nouveaux types de sources lumineuses sur puce qui peuvent être utilisées dans une variété d'applications."