Des chercheurs israéliens et allemands ont mis au point un moyen de forcer un réseau de lasers à cavité verticale à agir ensemble comme un seul laser, un réseau laser très efficace de la taille d'un grain de sable. Les résultats sont présentés dans un nouveau document de recherche conjoint publié en ligne par la prestigieuse revue Science vendredi, 24 septembre.

Téléphones portables, les capteurs de voiture ou la transmission de données dans les réseaux de fibres optiques utilisent tous des lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL) – des lasers à semi-conducteurs qui sont fermement ancrés dans notre technologie quotidienne. Bien que largement utilisé, le dispositif VCSEL a une taille minuscule de seulement quelques microns, qui fixe une limite stricte à la puissance de sortie qu'il peut générer. Pendant des années, les scientifiques ont cherché à améliorer la puissance émise par de tels dispositifs en combinant de nombreux minuscules VCSEL et en les forçant à agir comme un seul laser cohérent, mais a eu un succès limité. La percée actuelle utilise un schéma différent :elle utilise un arrangement géométrique unique de VCSEL sur la puce qui oblige le vol à s'écouler sur un chemin spécifique - une plate-forme d'isolant topologique photonique.

Des isolants topologiques aux lasers topologiques

Les isolants topologiques sont des matériaux quantiques révolutionnaires qui isolent à l'intérieur mais conduisent l'électricité à leur surface, sans perte. Il y a plusieurs années, le groupe Technion dirigé par le professeur Mordechai Segev a introduit ces idées innovantes dans la photonique, et a fait la démonstration du premier isolant topologique photonique, où la lumière se déplace autour des bords d'un réseau bidimensionnel de guides d'ondes sans être affectée par des défauts ou des désordres. Cela a ouvert un nouveau champ, maintenant connue sous le nom de « photonique topologique », " où des centaines de groupes ont actuellement des recherches actives. En 2018, le même groupe a également trouvé un moyen d'utiliser les propriétés des isolants topologiques photoniques pour forcer de nombreux lasers à micro-anneau à se verrouiller ensemble et à agir comme un seul laser. Mais ce système avait encore un goulot d'étranglement majeur :la lumière circulait dans la puce photonique confinée dans le même plan utilisé pour extraire la lumière. Cela signifiait que l'ensemble du système était à nouveau soumis à une limite de puissance, imposée par le dispositif utilisé pour éteindre la lumière, similaire à avoir une seule prise pour une centrale électrique entière. La percée actuelle utilise un schéma différent :les lasers sont forcés de se verrouiller dans la puce planaire, mais la lumière est maintenant émise à travers la surface de la puce par chaque petit laser et peut être facilement collectée.

Circonstances et participants

Ce projet de recherche germano-israélien est principalement né pendant la pandémie de Corona. Sans l'énorme engagement des chercheurs impliqués, cette étape scientifique n'aurait pas été possible. La recherche a été menée par Ph.D. l'étudiant Alex Dikopoltsev de l'équipe du distingué professeur Mordechai Segev, du Département de physique et du Département de génie électrique et informatique du Technion—Israel Institute of Technology, et Ph.D. l'étudiant Tristan H. Harder de l'équipe du Prof. Sebastian Klembt et du Prof. Sven Höfling à la Chaire de Physique Appliquée à l'Université de Würzburg, et le Pôle d'Excellence ct.qmat—Complexité et Topologie en Matière Quantique, en collaboration avec des chercheurs d'Iéna et d'Oldenburg. La fabrication de l'appareil a profité des excellentes installations de salle blanche de l'Université de Würzburg.

La longue route vers de nouveaux lasers topologiques

"C'est fascinant de voir comment la science évolue, " a déclaré le professeur Segev du Technion. " Nous sommes passés de concepts de physique fondamentale à des changements fondamentaux, et maintenant à la vraie technologie qui est maintenant poursuivie par les entreprises. De retour en 2015, quand nous avons commencé à travailler sur les lasers isolants topologiques, personne ne croyait que c'était possible, parce que les concepts topologiques connus à cette époque étaient limités aux systèmes qui ne le font pas, en fait, ne peut pas avoir de gain. Mais tous les lasers nécessitent un gain. Les lasers à isolant topologique se sont donc opposés à tout ce qui était connu à cette époque. Nous étions comme une bande de fous à la recherche de quelque chose qui était considéré comme impossible. Et maintenant, nous avons fait un grand pas vers une véritable technologie qui a de nombreuses applications. »

L'équipe israélienne et allemande a utilisé les concepts de photonique topologique avec des VCSEL qui émettent la lumière verticalement, tandis que le processus topologique responsable de la cohérence mutuelle et du verrouillage des VCSEL se produit dans le plan de la puce. Le résultat final est un laser puissant mais très compact et efficace, non limité par un nombre d'émetteurs VCSEL, et non perturbé par des défauts ou des températures changeantes.

"Le principe topologique de ce laser peut généralement fonctionner pour toutes les longueurs d'onde et donc une gamme de matériaux, " explique le chef de projet allemand Prof. Sebastian Klembt de l'Université de Würzburg, travaillant sur l'interaction lumière-matière et la photonique topologique au sein du Pôle d'Excellence ct.qmat. "Le nombre exact de microlasers à disposer et à connecter dépendra toujours entièrement de l'application. Nous pouvons étendre la taille du réseau laser à une très grande taille, et en principe il restera cohérent aussi pour les grands nombres. C'est génial de voir cette topologie, à l'origine une branche des mathématiques, a émergé comme une nouvelle boîte à outils révolutionnaire pour contrôler, direction et amélioration des propriétés du laser."

La recherche révolutionnaire a démontré qu'il est en fait théoriquement et expérimentalement possible de combiner des VCSEL pour obtenir un laser plus robuste et très efficace. En tant que tel, les résultats de l'étude ouvrent la voie aux applications de nombreuses technologies futures telles que les dispositifs médicaux, communication, et une variété d'applications du monde réel.