Les lasers sont des dispositifs transformationnels, mais un défi technique les empêche de l’être encore plus. La lumière qu’ils émettent peut se refléter dans le laser lui-même et le déstabiliser ou même le désactiver. À l’échelle du monde réel, ce défi est résolu par des dispositifs volumineux qui utilisent le magnétisme pour bloquer les réflexions nocives. À l’échelle de la puce, cependant, où les ingénieurs espèrent que les lasers transformeront un jour les circuits informatiques, les isolateurs efficaces se sont avérés insaisissables.
Dans ce contexte, des chercheurs de l’Université de Stanford affirment avoir créé un isolateur simple et efficace à l’échelle de la puce qui peut être déposé dans une couche de matériau à base de semi-conducteurs des centaines de fois plus fine qu’une feuille de papier.
« L’isolation à l’échelle de la puce est l’un des grands défis ouverts de la photonique », a déclaré Jelena Vučković, professeur de génie électrique à Stanford et auteur principal de l’étude parue le 1er décembre dans la revue. Photonique de la nature.
« Chaque laser a besoin d’un isolateur pour empêcher les réflexions d’entrer dans le laser et de le déstabiliser », a déclaré Alexander White, candidat au doctorat dans le laboratoire de Vučković et co-premier auteur de l’article, ajoutant que l’appareil a des implications pour l’informatique quotidienne, mais pourrait influencent également les technologies de nouvelle génération, comme l’informatique quantique.
Petit et passif
L’isolateur à l’échelle nanométrique est prometteur pour plusieurs raisons. Tout d’abord, cet isolateur est « passif ». Il ne nécessite pas d’entrées externes, d’électronique compliquée ou de magnétisme – des défis techniques qui ont jusqu’à présent entravé les progrès des lasers à puce. Ces mécanismes supplémentaires conduisent à des dispositifs trop encombrants pour les applications photoniques intégrées et peuvent provoquer des interférences électriques qui compromettent d’autres composants sur les puces.
Un autre avantage est que le nouvel isolateur est également fabriqué à partir d’un matériau à base de semi-conducteurs courant et bien connu et peut être fabriqué à l’aide des technologies de traitement des semi-conducteurs existantes, facilitant potentiellement son chemin vers la production de masse.
Le nouvel isolateur a la forme d’un anneau. Il est composé de nitrure de silicium, un matériau basé sur le semi-conducteur le plus utilisé, le silicium. Le puissant faisceau laser primaire pénètre dans l’anneau et les photons commencent à tourner autour de l’anneau dans le sens des aiguilles d’une montre. En même temps, un faisceau rétro-réfléchi serait renvoyé dans l’anneau dans la direction opposée, tournant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.
« La puissance laser que nous mettons en circulation plusieurs fois et cela nous permet de nous accumuler à l’intérieur de l’anneau. Cette puissance croissante altère le faisceau le plus faible, tandis que le plus fort reste inchangé », explique le co-premier auteur Geun Ho Ahn, doctorant. en génie électrique du phénomène qui fait que le faisceau le plus faible cesse de résonner. « La lumière réfléchie, et uniquement la lumière réfléchie, est effectivement annulée. »
Le laser primaire sort alors de l’anneau et est « isolé » dans la direction souhaitée.
Vučković et son équipe ont construit un prototype comme preuve de concept et ont pu coupler deux isolateurs annulaires en cascade pour obtenir de meilleures performances.
« Les prochaines étapes comprennent le travail sur des isolateurs pour différentes fréquences de lumière », a déclaré le co-auteur Kasper Van Gasse, chercheur post-doctoral dans le laboratoire de Vučković. « Ainsi qu’une intégration plus étroite des composants à l’échelle de la puce pour explorer d’autres utilisations de l’isolateur et améliorer les performances. »
Plus d’information:
Alexander D. White et al, Isolateurs optiques non linéaires passifs intégrés, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01110-y