L'équipe du Laboratoire des systèmes photoniques (PHOSL) de l'EPFL a développé une source laser à l'échelle d'une puce qui améliore les performances des lasers à semi-conducteurs tout en permettant la génération de longueurs d'onde plus courtes.
Ces travaux pionniers, dirigés par le professeur Camille Brès et le chercheur postdoctoral Marco Clementi de la Faculté d'ingénierie de l'EPFL, représentent une avancée significative dans le domaine de la photonique, avec des implications pour les télécommunications, la métrologie et d'autres applications de haute précision.
L'étude, publiée dans la revue Light:Science &Applications , révèle comment les chercheurs du PHOSL, en collaboration avec le Laboratoire de photonique et de mesures quantiques, ont réussi à intégrer des lasers à semi-conducteurs avec des circuits photoniques en nitrure de silicium contenant des microrésonateurs. Cette intégration aboutit à un dispositif hybride qui émet une lumière très uniforme et précise dans les plages du proche infrarouge et du visible, comblant ainsi une lacune technologique qui a longtemps défié l'industrie.
"Les lasers à semi-conducteurs sont omniprésents dans la technologie moderne, depuis les smartphones jusqu'aux communications par fibre optique. Cependant, leur potentiel a été limité par un manque de cohérence et l'incapacité de générer efficacement de la lumière visible", explique le professeur Brès. "Notre travail améliore non seulement la cohérence de ces lasers, mais déplace également leur puissance vers le spectre visible, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour leur utilisation."
La cohérence, dans ce contexte, fait référence à l'uniformité des phases des ondes lumineuses émises par le laser. Une cohérence élevée signifie que les ondes lumineuses sont synchronisées, conduisant à un faisceau avec une couleur ou une fréquence très précise. Cette propriété est cruciale pour les applications où la précision et la stabilité du faisceau laser sont primordiales, telles que le chronométrage et la détection de précision.
L'approche de l'équipe consiste à coupler des lasers à semi-conducteurs disponibles dans le commerce avec une puce en nitrure de silicium. Cette petite puce est créée avec la technologie CMOS standard et rentable. Grâce aux propriétés exceptionnelles de faible perte du matériau, peu ou pas de lumière est absorbée ou s'échappe.
La lumière du laser à semi-conducteur circule à travers des guides d'ondes microscopiques dans des cavités extrêmement petites, où le faisceau est piégé. Ces cavités, appelées résonateurs à micro-anneaux, sont minutieusement conçues pour résonner à des fréquences spécifiques, amplifiant sélectivement les longueurs d'onde souhaitées tout en atténuant les autres, obtenant ainsi une cohérence améliorée dans la lumière émise.
L'autre réalisation importante est la capacité du système hybride à doubler la fréquence de la lumière provenant du laser à semi-conducteur commercial, permettant ainsi de passer du spectre proche infrarouge au spectre de la lumière visible.
La relation entre la fréquence et la longueur d’onde est inversement proportionnelle, ce qui signifie que si la fréquence double, la longueur d’onde est réduite de moitié. Alors que le spectre proche infrarouge est exploité pour les télécommunications, des fréquences plus élevées sont essentielles pour construire des appareils plus petits et plus efficaces où des longueurs d'onde plus courtes sont nécessaires, comme dans les horloges atomiques et les appareils médicaux.
Ces longueurs d'onde plus courtes sont obtenues lorsque la lumière piégée dans la cavité subit un processus appelé polarisation entièrement optique, qui induit ce que l'on appelle une non-linéarité de second ordre dans le nitrure de silicium. Dans ce contexte, la non-linéarité signifie qu'il y a un changement significatif, un saut d'ampleur, dans le comportement de la lumière qui n'est pas directement proportionnel à sa fréquence résultant de son interaction avec le matériau.
Le nitrure de silicium ne subit normalement pas cet effet non linéaire spécifique du second ordre, et l'équipe a réalisé une prouesse technique élégante pour l'induire :le système tire parti de la capacité de la lumière lorsqu'elle résonne dans la cavité pour produire une onde électromagnétique qui provoque les propriétés non linéaires de l'objet. le matériel.
"Nous ne nous contentons pas d'améliorer la technologie existante, nous repoussons également les limites de ce qui est possible avec les lasers à semi-conducteurs", déclare Marco Clementi, qui a joué un rôle clé dans le projet. "En comblant le fossé entre les télécommunications et les longueurs d'onde visibles, nous ouvrons la porte à de nouvelles applications dans des domaines tels que l'imagerie biomédicale et la chronométrage de précision."
L’une des applications les plus prometteuses de cette technologie est la métrologie, notamment dans le développement d’horloges atomiques compactes. L'histoire des progrès de la navigation repose sur la portabilité de montres précises :depuis la détermination de la longitude en mer au XVIe siècle jusqu'à la garantie d'une navigation précise des missions spatiales et à l'obtention d'une meilleure géolocalisation aujourd'hui.
"Cette avancée significative jette les bases des technologies futures, dont certaines doivent encore être conçues", note Clementi.
La compréhension approfondie de l'équipe en photonique et en science des matériaux permettra potentiellement de créer des dispositifs plus petits et plus légers et de réduire la consommation d'énergie et les coûts de production des lasers. Leur capacité à prendre un concept scientifique fondamental et à le traduire en une application pratique à l'aide d'une fabrication conforme aux normes de l'industrie souligne le potentiel de résolution de défis technologiques complexes pouvant conduire à des avancées imprévues.
Plus d'informations : Marco Clementi et al, Une source de seconde harmonique à l'échelle d'une puce via une polarisation entièrement optique verrouillée par auto-injection, Light :Science &Applications (2023). DOI :10.1038/s41377-023-01329-6
Informations sur le journal : La lumière :science et applications
Fourni par l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
