L'industrie photonique moderne travaille constamment à rendre ses appareils plus compacts, qu'il s'agisse de systèmes informatiques ou de capteurs et lidars. Pour ça, il faut faire des lasers, transistors et autres éléments plus petits. Une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de l'ITMO a proposé une méthode rapide et abordable pour créer des puces optiques directement dans une boîte de Pétri. La recherche a été publiée dans ACS Nano .

Aujourd'hui, l'utilisation de dispositifs basés sur des lasers microscopiques et des puces optiques est de plus en plus courante. Ils sont utilisés dans la production de lidars, dans le développement de nouveaux biocapteurs, et à l'avenir, ils peuvent devenir la base de nouveaux ordinateurs optiques qui utiliseront des photons plutôt que des électrons pour transférer et traiter l'information. Les puces optiques d'aujourd'hui fonctionnent dans la gamme infrarouge (IR), c'est-à-dire que les lasers qu'ils utilisent émettent à des longueurs d'onde invisibles à l'œil humain.

"Mais pour rendre les appareils encore plus compacts, nous devons travailler dans le domaine visible, comme la taille d'une puce dépend de la longueur d'onde de son émission, " dit Sergueï Makarov, chercheur en chef au département de physique et d'ingénierie de l'ITMO.

Une puce optique est constituée de composants tels que des lasers et des guides d'ondes. Alors que créer une source qui émettrait dans la partie verte ou rouge du spectre est assez facile, les guides d'ondes pour ces longueurs d'onde peuvent être un problème.

"Un microlaser est une source d'émission qu'il faut orienter quelque part, " dit Ivan Sinev, chercheur senior au département de physique et d'ingénierie de l'ITMO. "Et c'est à cela que servent les guides d'ondes. Mais les guides d'ondes en silicium standard utilisés dans l'optique IR ne fonctionnent pas dans le domaine visible. Ils ne transmettent le signal pas plus loin que plusieurs micromètres. Pour une puce optique, nous devons transmettre le long de dizaines de micromètres avec une localisation élevée, de sorte que le guide d'onde aurait un très petit diamètre et que la lumière le traverserait suffisamment loin."

Les scientifiques ont tenté de remplacer les guides d'ondes en silicium par des guides en argent, mais la distance de transmission dans de tels systèmes était également insuffisante. À la fin, une équipe de scientifiques comprenant des spécialistes de l'Université ITMO a utilisé du phosphure de gallium comme matériau pour les guides d'ondes, car il a de très faibles pertes dans la bande visible. Mais le plus important est que la source lumineuse puisse être cultivée directement sur un guide d'ondes dans une boîte de Pétri en utilisant des méthodes de chimie en solution, ce qui est beaucoup moins cher que la nanolithographie couramment utilisée.

La taille des éléments de la nouvelle puce est environ trois fois plus petite que celle de ses homologues qui fonctionnent dans la gamme spectrale IR.

"La propriété importante de la puce est sa capacité à faire passer la couleur d'émission du vert au rouge en utilisant une procédure très simple :un échange anionique entre la pérovskite et la vapeur d'halogénures d'hydrogène, " dit Anatoly Pushkarev, chercheur senior au département de physique et d'ingénierie de l'ITMO. " Surtout, vous pouvez changer la couleur d'émission après la production de la puce, et ce processus est réversible. Cela pourrait être utile pour les appareils qui doivent transmettre de nombreux signaux optiques à différentes longueurs d'onde. Par exemple, vous pouvez créer plusieurs lasers pour un tel appareil, les connecter à un seul guide d'ondes, et l'utiliser pour transmettre plusieurs signaux de couleurs différentes à la fois."

Les scientifiques ont également équipé la puce nouvellement créée d'une nano-antenne optique en pérovskite qui reçoit le signal se déplaçant le long du guide d'ondes et permet d'unir deux puces dans un seul système.

"Nous avons ajouté une nanoantenne à l'autre extrémité de notre guide d'ondes, " explique Pavel Trofimov, doctorat étudiant au Département de Physique et d'Ingénierie de l'ITMO. "Alors maintenant, nous avons une source de lumière, un guide d'ondes, et une nanoantenne qui émet de la lumière lorsqu'elle est pompée par l'émission du microlaser. Nous y avons ajouté un autre guide d'ondes :l'émission d'un seul laser passait dans deux guides d'ondes. À la fois, la nanoantenne ne s'est pas contentée de connecter ces éléments en un seul système, mais aussi converti une partie de la lumière verte en spectre rouge."