Le nanolaser est basé sur le désordre dans la configuration des trous dans le cristal photonique. La source lumineuse est intégrée dans le cristal photonique lui-même, qui est clair comme du verre et lorsque la lumière frappe un trou, elle est réfléchie et canalisée dans ce qu'on appelle le guide d'ondes, la voie médiane du cristal. Mais la lumière est projetée dans les deux sens dans le cristal photonique et en raison des imperfections est intensifiée et se transforme spontanément en lumière laser. Crédit :Photonique Quantique, Institut Niels Bohr
Des chercheurs du monde entier travaillent au développement de puces optiques, où la lumière peut être contrôlée avec des nanostructures. Ceux-ci pourraient être utilisés pour de futurs circuits basés sur la lumière (photons) au lieu d'électrons - c'est-à-dire la photonique au lieu de l'électronique. Mais il s'est avéré impossible d'obtenir des nanostructures photoniques parfaites :elles sont forcément un peu imparfaites. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut Niels Bohr en collaboration avec le DTU ont découvert que les nanostructures imparfaites peuvent offrir des fonctionnalités entièrement nouvelles. Ils ont montré que des puces optiques imparfaites peuvent être utilisées pour produire des « nanolasers », qui est une source lumineuse finalement compacte et économe en énergie. Les résultats sont publiés dans la revue scientifique Nature Nanotechnologie .
Les chercheurs travaillent avec des membranes à cristaux photoniques extrêmement petites - la largeur de la membrane est de 25 micromètres, et l'épaisseur est de 340 nanomètres (1 nanomètre est un millième de micromètre). Les cristaux sont constitués d'un matériau semi-conducteur d'arséniure de gallium (GaAs). Un motif de trous est gravé dans le matériau à une distance régulière de 380 nanomètres. Les trous ont pour fonction d'agir comme des miroirs intégrés qui réfléchissent la lumière et peuvent ainsi être utilisés pour contrôler la propagation de la lumière dans la puce optique. Les chercheurs ont donc essayé de réaliser une structure régulière de trous aussi parfaite que possible pour contrôler la lumière dans certains circuits optiques.
Un désordre inévitable exploité
Mais en pratique il est impossible d'éviter les petites irrégularités lors de la fabrication des puces optiques et cela peut être un gros problème, car cela peut entraîner une perte de lumière et donc une fonctionnalité réduite. Les chercheurs de l'Institut Niels Bohr ont désormais transformé le problème des imperfections en un avantage.
"Il s'avère que les puces optiques imparfaites sont extrêmement bien adaptées pour capturer la lumière. Lorsque la lumière est envoyée dans la puce imparfaite, il frappera les nombreux petits trous irréguliers, qui réfléchissent la lumière dans des directions aléatoires. En raison des réflexions fréquentes, la lumière est captée spontanément dans la nanostructure et ne peut pas s'échapper. Cela permet d'amplifier la lumière, résultant en des conditions étonnamment bonnes pour créer des lasers très efficaces et compacts, " explique Peter Lodahl, professeur et chef du groupe de recherche Quantum Photonic à l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague.
Expérimentez avec la lumière intégrée
Les chercheurs en Photonique Quantique de l'Institut Niels Bohr, dirigé par le professeur Peter Lodahl et le professeur agrégé Søren Stobbe, conçu le cristal photonique et réalisé les études expérimentales dans les laboratoires du groupe de recherche.
La source lumineuse est intégrée dans le cristal photonique lui-même et est constituée d'une couche d'atomes artificiels qui émettent de la lumière (le composant de base de la lumière est constitué de photons). Les photons sont envoyés à travers le cristal, qui est clair comme du verre et a un motif de petits trous. Lorsqu'un photon frappe un trou, il est réfléchi et canalisé dans ce que l'on appelle le guide d'ondes, qui est une « piste de photons » qui peut être utilisée pour guider les photons à travers le cristal photonique. Cependant, en raison des trous imparfaits, la lumière sera projetée dans les deux sens dans le guide d'ondes du cristal photonique, l'intensifier et la transformer en lumière laser.
Le résultat est une lumière laser à l'échelle nanométrique et les chercheurs y voient un grand potentiel.
Le rêve d'un Internet quantique
"Le fait que nous puissions contrôler la lumière et produire de la lumière laser à l'échelle nanométrique peut être utilisé pour créer des circuits basés sur des photons au lieu d'électrons, ouvrant ainsi la voie à la technologie de communication quantique optique à l'avenir. Avec des sources laser intégrées, nous pourrons intégrer des composants optiques et cela permet de construire des fonctionnalités complexes. Notre rêve ultime est de construire un « internet quantique », où les informations sont codées en photons individuels, " expliquent Peter Lodahl et Søren Stobbe, qui sont enthousiasmés par les résultats, qui montrent que le désordre inévitable dans la puce optique n'est pas une limitation et peut même être exploité dans les bonnes conditions.
