Alors que les technologies continuent de progresser à un rythme exponentiel et que la demande de nouveaux appareils augmente en conséquence, la miniaturisation des systèmes en puces est devenue de plus en plus importante. La microélectronique a changé la façon dont nous manipulons l’électricité, permettant des produits électroniques sophistiqués qui font désormais partie intégrante de notre vie quotidienne. De même, la photonique intégrée a révolutionné la façon dont nous contrôlons la lumière pour des applications telles que les communications de données, l’imagerie, la détection et les dispositifs biomédicaux. En acheminant et en façonnant la lumière à l’aide de composants micro et nanométriques, la photonique intégrée réduit les systèmes optiques complets à la taille de minuscules puces.
Malgré son succès, il manquait à la photonique intégrée un élément clé pour parvenir à une miniaturisation complète : les lasers à haute performance à l’échelle de la puce. Bien que des progrès aient été réalisés sur les lasers proches de l’infrarouge, les lasers à lumière visible qui alimentent actuellement les puces photoniques sont encore de laboratoire et coûteux. Étant donné que la lumière visible est essentielle pour un large éventail d’applications, y compris l’optique quantique, les écrans et la bioimagerie, il existe un besoin de lasers à puce accordables et à largeur de raie étroite émettant de la lumière de différentes couleurs.
Inventer des lasers hautes performances qui tiennent sur le bout des doigts
Des chercheurs du Lipson Nanophotonics Group de Columbia Engineering ont créé des lasers visibles de couleurs très pures allant du proche ultraviolet au proche infrarouge qui tiennent sur le bout du doigt. Les couleurs des lasers peuvent être réglées avec précision et extrêmement rapides, jusqu’à 267 pétahertz par seconde, ce qui est essentiel pour des applications telles que l’optique quantique. L’équipe est la première à faire la démonstration de lasers à largeur de raie étroite et accordables à l’échelle de la puce pour les couleurs de lumière inférieures au rouge : vert, cyan, bleu et violet. Ces lasers peu coûteux ont également la plus petite empreinte et la longueur d’onde la plus courte (404 nm) de tous les lasers intégrés accordables et à largeur de raie étroite émettant de la lumière visible. Le étudierqui a été présenté pour la première fois lors de la session post-date limite CLEO 2021 le 14 mai 2021, a été mis en ligne le 23 décembre 2022 par Photonique de la nature.
« Ce qui est passionnant dans ce travail, c’est que nous avons utilisé la puissance de la photonique intégrée pour briser le paradigme existant selon lequel les lasers visibles hautes performances doivent être de paillasse et coûter des dizaines de milliers de dollars », déclare l’auteur principal de l’étude, Mateus Corato Zanarella, un doctorat étudiant qui travaille avec Michal Lipson, professeur Higgins de génie électrique et professeur de physique appliquée. « Jusqu’à présent, il était impossible de réduire et de déployer en masse des technologies nécessitant des lasers visibles accordables et à largeur de raie étroite. Un exemple notable est l’optique quantique, qui exige des lasers hautes performances de plusieurs couleurs dans un seul système. Nous espérons que nos découvertes permettra des systèmes de lumière visible entièrement intégrés pour les technologies existantes et nouvelles. »
Avantages d’émettre des longueurs d’onde inférieures au rouge
L’importance des lasers émettant des longueurs d’onde plus courtes que le rouge est claire lorsque l’on considère certaines applications importantes. Les écrans, par exemple, nécessitent simultanément une lumière rouge, verte et bleue pour composer n’importe quelle couleur. En optique quantique, les lasers verts, bleus et violets sont utilisés pour piéger et refroidir les atomes et les ions. Dans le Lidar sous-marin (Light Detection and Ranging), une lumière verte ou bleue est nécessaire pour éviter l’absorption d’eau. Cependant, à des longueurs d’onde plus courtes que le rouge, les pertes de couplage et de propagation des circuits intégrés photoniques augmentent significativement, ce qui a empêché la réalisation de lasers performants à ces couleurs.
Résoudre les problèmes de couplage et de perte de propagation
Les chercheurs ont résolu le problème de perte de couplage en choisissant des diodes Fabry-Perot (FP) comme sources lumineuses, ce qui minimise l’impact des pertes sur les performances des lasers à puce. Contrairement à d’autres stratégies qui utilisent différents types de sources, l’approche de l’équipe permet la réalisation de lasers à des longueurs d’onde record (404 nm) tout en offrant une évolutivité à des puissances optiques élevées, les diodes laser FP sont des lasers à semi-conducteurs peu coûteux et compacts largement utilisés dans recherche et industrie. Cependant, ils émettent de la lumière de plusieurs longueurs d’onde simultanément et ne sont pas facilement accordables, ce qui les empêche d’être directement utilisés pour des applications nécessitant des lasers purs et précis. En les combinant avec la puce photonique spécialement conçue, les chercheurs sont en mesure de modifier l’émission laser pour qu’elle soit à fréquence unique, à largeur de raie étroite et largement accordable.
L’équipe a surmonté le problème de perte de propagation en concevant une plate-forme qui minimise à la fois l’absorption du matériau et les pertes de diffusion de surface simultanément pour toutes les longueurs d’onde visibles. Pour guider la lumière, ils ont utilisé du nitrure de silicium, un diélectrique largement utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs qui est transparent pour la lumière visible de toutes les couleurs. Même s’il y a une absorption minimale, la lumière subit toujours une perte due à la rugosité inévitable des processus de fabrication. L’équipe a résolu ce problème en concevant un circuit photonique avec un type spécial de résonateur en anneau. L’anneau a une largeur variable le long de sa circonférence, permettant un fonctionnement monomode caractéristique des guides d’ondes étroits et une faible perte caractéristique des guides d’ondes larges. Le circuit photonique résultant fournit une rétroaction optique sélective en longueur d’onde aux diodes FP qui force le laser à émettre à une seule longueur d’onde souhaitée avec une largeur de raie très étroite.
« En combinant ces pièces au design complexe, nous avons pu construire une plate-forme robuste et polyvalente qui est évolutive et fonctionne pour toutes les couleurs de lumière », a déclaré Corato Zanarella.
Révolutionner les technologies
« En tant que fabricant de lasers, nous reconnaissons que la photonique intégrée aura un impact considérable sur notre industrie et permettra une nouvelle génération d’applications jusqu’ici impossibles », a déclaré Chris Haimberger, directeur de la technologie laser, TOPTICA Photonics, Inc. « Cette Ce travail représente une avancée importante dans la recherche de lasers visibles compacts et accordables qui alimenteront les développements futurs dans les domaines de l’informatique, de la médecine et de l’industrie. »
Les résultats de l’étude pourraient révolutionner un large éventail d’applications, notamment :
Prochaines étapes
Les chercheurs, qui ont déposé un brevet provisoire pour leur technologie, explorent maintenant comment conditionner optiquement et électriquement les lasers pour les transformer en unités autonomes et les utiliser comme sources dans des moteurs de lumière visible à l’échelle de la puce, des expériences quantiques et des horloges optiques.
« Pour aller de l’avant, nous devons être capables de miniaturiser et de mettre à l’échelle ces systèmes, leur permettant d’être éventuellement intégrés dans des technologies déployées en masse », a déclaré Lipson, un pionnier de la photonique sur silicium dont les recherches ont fortement façonné le domaine depuis sa création. il y a des décennies, avec des contributions fondamentales dans les dispositifs actifs et passifs qui font partie de toute puce photonique actuelle. Elle a ajouté : « La photonique intégrée est un domaine passionnant qui révolutionne véritablement notre monde, des télécommunications optiques à l’information quantique en passant par la biodétection.
L’étude s’intitule « Lasers à l’échelle de la puce largement accordables et à largeur de raie étroite, des longueurs d’onde du proche ultraviolet au proche infrarouge ».
Plus d’information:
Mateus Corato-Zanarella et al, Lasers à puce largement accordables et à largeur de raie étroite, des longueurs d’onde du proche ultraviolet au proche infrarouge, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01120-w