Les chercheurs ont développé une nouvelle façon de contrôler et de manipuler les signaux optiques en intégrant une couche de cristaux liquides dans des guides d’ondes créés par écriture laser directe. Les nouveaux dispositifs permettent un contrôle électro-optique de la polarisation, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour les dispositifs basés sur des puces et les circuits photoniques complexes basés sur des guides d’ondes écrits en femtoseconde.
« L’écriture laser de guides d’ondes et la modulation électro-optique via des cristaux liquides n’ont jamais été combinées de cette manière auparavant », a déclaré Alessandro Alberucci de l’université Friedrich Schiller de Jena en Allemagne. « Nous espérons que cette technologie pourra être utilisée pour créer une nouvelle classe de dispositifs photoniques intégrés capables de traiter de grandes quantités d’informations pour les centres de données et d’autres applications gourmandes en données. »
Dans la revue Matériaux Optiques Expressles chercheurs décrire comment ils ont créé une plaque d’onde accordable à l’intérieur d’un guide d’ondes en silice fondue. Lorsqu’une tension est appliquée aux cristaux liquides, leurs molécules tournent, ce qui modifie la polarisation de la lumière transmise à travers le guide d’ondes. Lors d’expériences, les chercheurs ont démontré une modulation complète de la polarisation optique à deux longueurs d’onde visibles différentes.
« Notre travail ouvre la voie à l’intégration de nouveaux types de fonctions optiques dans l’ensemble du volume d’une seule puce de verre, permettant ainsi des dispositifs intégrés photoniques 3D compacts qui n’étaient pas possibles auparavant », a déclaré Alberucci. « La nature 3D unique des guides d’ondes écrits en femtoseconde pourrait être utilisée pour créer de nouveaux modulateurs spatiaux de lumière dans lesquels chaque pixel est adressé séparément par un guide d’ondes. La technologie pourrait également trouver une application dans la réalisation expérimentale de réseaux neuronaux optiques denses. »
Réunir deux technologies clés
Les lasers femtoseconde peuvent être utilisés pour écrire des guides d’ondes en profondeur dans un matériau, et non seulement en surface comme d’autres méthodes, ce qui en fait une approche prometteuse pour maximiser le nombre de guides d’ondes sur une seule puce. Cette approche consiste à focaliser un faisceau laser intense à l’intérieur d’un matériau transparent. Lorsque l’intensité optique est suffisamment élevée, le faisceau modifie le matériau sous illumination, agissant ainsi comme une sorte de stylo avec une précision micrométrique.
« L’inconvénient le plus important de l’utilisation de la technologie d’écriture laser femtoseconde pour créer des guides d’ondes est la difficulté de moduler le signal optique dans ces guides d’ondes », a déclaré Alberucci. « Comme un réseau de communication complet nécessite des dispositifs capables de contrôler le signal transmis, nos travaux explorent de nouvelles solutions pour surmonter cette limitation. »
Dans le nouvel article, les chercheurs ont combiné deux technologies photoniques fondamentales en intégrant une couche de cristaux liquides à l’intérieur d’un guide d’ondes. Lorsque le faisceau se propageant à l’intérieur du guide d’ondes pénètre dans la couche de cristaux liquides, il modifie la phase et la polarisation de la lumière lorsqu’un champ électrique est appliqué. Le faisceau modifié traverse ensuite la deuxième section du guide d’onde de sorte qu’un faisceau aux propriétés modulées se propage.
« L’hybridation permet d’accéder aux avantages des deux technologies dans le même dispositif : une grande concentration de lumière grâce à l’effet de guidage et un grand degré d’accordabilité associé aux cristaux liquides », a déclaré Alberucci. « Cette recherche ouvre la voie à l’utilisation des propriétés des cristaux liquides comme modulateurs dans les dispositifs photoniques dotés de guides d’ondes intégrés dans tout leur volume. »
Avantages de l’approche hybride
Bien que la modulation optique dans les guides d’ondes femtosecondes écrits au laser ait déjà été obtenue en chauffant localement le guide d’onde, l’utilisation de cristaux liquides dans le nouveau travail permet un contrôle direct de la polarisation. « Notre approche présente plusieurs avantages potentiels : une consommation d’énergie moindre, la possibilité de traiter indépendamment des guides d’ondes uniques dans l’ensemble et une diaphonie moindre entre les guides d’ondes adjacents », a déclaré Alberucci.
Pour tester les dispositifs, les chercheurs ont injecté de la lumière laser dans le guide d’ondes, puis ont fait varier la tension appliquée à la couche de cristaux liquides, ce qui a modulé la lumière. La polarisation mesurée à la sortie variait comme le prédisait la théorie. Ils ont également constaté que l’intégration des cristaux liquides aux guides d’ondes laissait les propriétés de modulation des cristaux liquides inchangées.
Les chercheurs soulignent que cette étude n’est qu’une preuve de concept et que des travaux supplémentaires doivent donc être effectués avant que la technologie ne soit prête pour des applications pratiques. Par exemple, le dispositif actuel module chaque guide d’ondes de la même manière, ils s’efforcent donc d’obtenir un contrôle indépendant de chaque guide d’ondes.
Plus d’information:
Kim Lammers et al, Contrôle électro-optique de la polarisation dans des guides d’ondes écrits par laser femtoseconde utilisant une cellule à cristaux liquides intégrée, Matériaux Optiques Express (2023). DOI : 10.1364/OME.507230