Microrésonateurs de haute qualité dans l’infrarouge à ondes longues à base de germanium natif

Et s’il existait un gadget capable de vérifier rapidement si vous avez le COVID ou la grippe, ou peut-être même qu’il détecterait que vous êtes diabétique sans le savoir ? L’appareil pourrait comprendre tout cela sans que vous ayez à vous rendre chez un médecin ou dans un laboratoire.

Cette technologie pourrait devenir une réalité d’ici quelques années, et les ingénieurs électriciens font partie des personnes qui permettent de créer de tels gadgets, qui contiennent un composant clé appelé le microrésonateur en mode galerie chuchotant.

La nouvelle technologie fournit de meilleurs capteurs optiques, qui sont importants pour l’électronique, y compris les appareils qui analysent les produits chimiques à l’aide de la lumière.

« Nous avons construit le microrésonateur en mode galerie à faible perte pour le spectre infrarouge à ondes longues. Parce que le spectre infrarouge à ondes longues fournit des informations définitives sur les produits chimiques, il offre de nouvelles possibilités pour les applications de détection », déclare Dingding Ren, chercheur au département de NTNU. Systèmes électroniques.

Ren et ses collègues ont développé un nouveau microrésonateur en mode galerie chuchotant, qui peut stocker la lumière pour certaines longueurs d’onde beaucoup plus longtemps dans la résonance.

« Notre microrésonateur est environ 100 fois meilleur que ce qui était disponible auparavant pour le spectre infrarouge à ondes longues », explique Ren.

« Il peut retenir la lumière 100 fois plus longtemps que les versions précédentes, ce qui amplifie le champ optique à l’intérieur et facilite beaucoup les processus non linéaires, tels que la génération de peignes de fréquence », a-t-il déclaré.

Ren et ses collègues ont contribué au développement de tout un ensemble de processus de nanofabrication pour fabriquer les microrésonateurs. Leurs résultats ont été récemment présentés dans Communication Nature.

Ouvre de belles opportunités

Stocker plus efficacement les ondes lumineuses dans la partie infrarouge du spectre lumineux est une bonne nouvelle pour plusieurs types de nouvelles technologies, en particulier pour la détection de particules et l’identification chimique spectroscopique, qui analysent un échantillon de gaz ou de fluide pour rechercher des virus, des bactéries et d’autres substances nocives que vous pourriez avoir.

Le nouveau microrésonateur signifie que les scientifiques peuvent développer des peignes de fréquence à large bande dans le spectre infrarouge à ondes longues à l’aide de ces dispositifs. Et qu’est-ce que cela pourrait être?

Les peignes de fréquence sont des lumières laser dont le spectre consiste en une série de lignes de fréquence discrètes et également espacées. Ceux-ci peuvent être trouvés à divers endroits, comme dans votre GPS, dans les horloges atomiques et dans les équipements à fibre optique utilisés dans les téléphones et les ordinateurs. La technologie ouvre également la porte à l’analyse simultanée de plusieurs produits chimiques, si un peigne à large bande est disponible dans le spectre infrarouge à ondes longues.

« La technologie en est encore à ses débuts en ce qui concerne les mesures dans le spectre de la lumière infrarouge à ondes longues. Mais notre amélioration nous donne la possibilité d’identifier plusieurs produits chimiques différents en temps réel dans un avenir proche », a déclaré Ren.

Ce genre de machine spectroscopique existe déjà, mais elles sont si grosses et si chères que seuls les hôpitaux et les institutions à gros budget peuvent se les offrir. D’autres machines légèrement plus simples pourraient être capables d’analyser quelques produits chimiques, mais pas beaucoup à la fois, contrairement à ce que la nouvelle technologie pourrait rendre possible.

Ren a travaillé en étroite collaboration avec le professeur David Burghoff et ses collègues de l’Université de Notre Dame aux États-Unis.

« La concurrence dans ce domaine est féroce », déclare Ren.

Le nouveau microrésonateur est fabriqué à partir de l’élément germanium. Le matériau peut sembler exotique, mais il a été utilisé dans le premier transistor au monde dès 1947, avant que le silicium ne prenne le contrôle de ce marché.

Aujourd’hui, le germanium est fréquemment utilisé dans les lentilles optiques des capteurs et des caméras infrarouges, et il n’est par conséquent ni particulièrement rare ni coûteux. Ce sont également des avantages lorsque la théorie va être mise sur le marché.

Que sont les microrésonateurs de toute façon?

Les microrésonateurs, qui sont un type de cavité optique, peuvent stocker des champs optiques à l’intérieur d’un très petit volume. Ils peuvent être fabriqués dans une géométrie de piste de course ou de disque, mais ils sont généralement de taille microscopique, semblable à l’épaisseur d’un cheveu. La lumière se déplace à l’intérieur du microrésonateur en cercles, de sorte que le champ optique est amplifié.

« Nous pouvons comparer le microrésonateur à ce qui se passe avec le son dans la galerie des chuchotements de la cathédrale Saint-Paul à Londres », explique Ren.

Cette galerie elliptique a produit un phénomène célèbre. Vous pouvez chuchoter à une extrémité et les personnes à l’autre bout de la pièce peuvent vous entendre, même si elles ne pourraient normalement pas vous entendre à cette distance. Les ondes sonores sont amplifiées par la forme de la pièce et des murs, c’est ainsi que se comportent les ondes lumineuses dans le microrésonateur.

« Nous avons promis de développer un meilleur microrésonateur, et nous avons réussi », a déclaré Ren.

Bjørn-Ove Fimland et Astrid Aksnes, tous deux professeurs au département des systèmes électroniques de NTNU, ont fourni des conseils en cours de route.

« Le fait que nous puissions désormais mesurer dans la gamme IR à ondes longues (8-14 µm ou micromètres) du spectre lumineux ouvre de nombreuses possibilités en matière d’utilisation dans l’imagerie et la détection, la surveillance environnementale et les applications biomédicales », déclare Aksnes.

« De nombreuses molécules ont des bandes vibratoires fondamentales dans la gamme IR à ondes moyennes (2-20 µm), la soi-disant » région d’empreinte moléculaire « . En mesurant dans cette gamme d’ondes, nous obtenons une sensibilité plus élevée », dit-elle.