Un isolateur optique développé à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) pourrait améliorer considérablement les systèmes optiques pour de nombreuses applications pratiques.
Tous les systèmes optiques – utilisés pour les télécommunications, la microscopie, l’imagerie, la photonique quantique, etc. – reposent sur un laser pour générer des photons et des faisceaux de lumière. Pour éviter que ces lasers ne soient endommagés et instables, ces systèmes nécessitent également des isolateurs, des composants qui empêchent la lumière de se déplacer dans des directions indésirables. Les isolateurs aident également à réduire le bruit du signal en empêchant la lumière de rebondir sans entrave. Mais les isolateurs conventionnels sont relativement volumineux et nécessitent l’assemblage de plusieurs types de matériaux, ce qui crée un obstacle à l’amélioration des performances.
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs dirigée par l’ingénieur électricien Marko Lončar de SEAS a développé une méthode pour construire un isolateur intégré hautement efficace qui est intégré de manière transparente dans une puce optique en niobate de lithium. Leurs découvertes sont rapportées dans Photonique de la nature.
« Nous avons construit un appareil qui laisse la lumière émise par le laser se propager sans modification, tandis que la lumière réfléchie qui revient vers le laser change de couleur et est réacheminée loin du laser », a déclaré Lončar, professeur Tiantsai Lin de génie électrique à SEAS. . « Ceci est accompli en envoyant des signaux électriques dans la direction des signaux optiques réfléchis, profitant ainsi des excellentes propriétés électro-optiques du niobate de lithium », dans lequel une tension peut être appliquée pour modifier les propriétés des signaux optiques, y compris la vitesse et la couleur. .
« Nous voulions créer un environnement plus sûr dans lequel un laser puisse fonctionner, et en concevant cette rue à sens unique pour la lumière, nous pouvons protéger l’appareil de la réflexion du laser », a déclaré Mengjie Yu, co-premier auteur de l’article et un ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Lončar. « À notre connaissance, par rapport à toutes les autres démonstrations d’isolateurs intégrés, cet appareil offre la meilleure isolation optique au monde. En plus de l’isolation, il offre les performances les plus compétitives sur toutes les mesures, y compris la perte, l’efficacité énergétique et l’accordabilité. »
« Ce qui est exceptionnel avec cet appareil, c’est qu’il est incroyablement simple – c’est vraiment un seul modulateur », déclare Rebecca Cheng, co-première auteure de l’article et actuellement doctorante. étudiant dans le laboratoire de Lončar. « Toutes les tentatives précédentes d’ingénierie de quelque chose comme celle-ci nécessitaient plusieurs résonateurs et modulateurs. La raison pour laquelle nous pouvons le faire avec des performances aussi remarquables est due aux propriétés du niobate de lithium. »
Une autre raison de la haute performance et de l’efficacité est liée à la taille de l’appareil – l’équipe l’a construit au Harvard Center for Nanoscale Systems, fabriquant une puce mesurant 600 nanomètres d’épaisseur avec des gravures (pour guider la lumière à l’aide de nanostructures prescrites) jusqu’à 320 nanomètres de profondeur.
« Avec un appareil plus petit, vous pouvez contrôler la lumière plus facilement et également rapprocher cette lumière des signaux électriques, obtenant ainsi un champ électrique plus fort avec la même tension », permettant un contrôle plus puissant de la lumière, a déclaré Yu.
Les dimensions réduites et la propriété de perte ultra-faible de cette plate-forme augmentent également la puissance optique. « Puisque la lumière n’a pas à voyager aussi loin, il y a moins de dégradation et de perte de puissance », a déclaré Cheng.
Enfin, les équipes montrent que l’appareil peut protéger avec succès un laser sur puce de la réflexion externe. « Nous sommes la première équipe à montrer le fonctionnement stable en phase du laser sous la protection de notre isolateur optique », a déclaré Yu.
Dans l’ensemble, cette avancée représente un bond en avant significatif pour les puces optiques pratiques et performantes. L’équipe rapporte qu’il peut être utilisé avec une gamme de longueurs d’onde laser, ne nécessitant qu’un signal électrique à contre-propagation pour obtenir les effets souhaités.
L’équipe espère que cette percée – qui fait partie d’un effort plus vaste visant à intégrer des lasers et des composants photoniques sur une puce à des échelles extrêmement petites – débloquera de nouvelles capacités dans une gamme d’applications, allant de l’industrie des télécommunications au transfert temps-fréquence, un moyen de mesurer avec précision le temps jusqu’à l’échelle atomique et subatomique qui pourrait avoir des implications pour la recherche et l’informatique quantiques.
« L’intégration de tous les aspects d’un système optique sur une seule puce pourrait remplacer de nombreux systèmes plus grands, plus coûteux et moins efficaces », a déclaré Yu. « Combiner toutes ces choses pourrait révolutionner de nombreux domaines de travail. »
Plus d’information:
Mengjie Yu et al, Isolateur électro-optique intégré sur niobate de lithium à couche mince, Photonique de la nature (2023). DOI : 10.1038/s41566-023-01227-8