Les lasers pulsés femtosecondes, qui émettent de la lumière en rafales ultrarapides d’une durée d’un millionième de milliardième de seconde, sont des outils puissants utilisés dans une gamme d’applications allant de la médecine et de la fabrication à la détection et aux mesures de précision de l’espace et du temps. Aujourd’hui, ces lasers sont généralement des systèmes de table coûteux, ce qui limite leur utilisation dans des applications soumises à des restrictions de taille et de consommation d’énergie.
Une source d’impulsions femtoseconde sur puce ouvrirait de nouvelles applications dans l’informatique quantique et optique, l’astronomie, les communications optiques et au-delà. Cependant, il a été difficile d’intégrer des lasers pulsés accordables et très efficaces sur des puces.
Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une source d’impulsions femtoseconde haute performance sur puce à l’aide d’un outil qui semble tout droit sorti de la science-fiction : une lentille temporelle.
La recherche est publiée dans La nature.
« Les lasers pulsés qui produisent des impulsions courtes et de haute intensité composées de nombreuses couleurs de lumière sont restés importants », a déclaré Marko Lončar, professeur Tiantsai Lin de génie électrique à SEAS et auteur principal de l’étude.
« Pour rendre ces sources plus pratiques, nous avons décidé de réduire une approche bien connue, utilisée pour réaliser des sources femtosecondes conventionnelles et de grande taille, en tirant parti d’une plate-forme photonique intégrée de pointe que nous avons développée. Surtout, nos puces sont fabriquées à l’aide des techniques de microfabrication comme celles utilisées pour fabriquer des puces informatiques, ce qui garantit non seulement une réduction des coûts et de la taille, mais également une amélioration des performances et de la fiabilité de nos sources femtosecondes. »
Les lentilles traditionnelles, comme les lentilles de contact ou celles que l’on trouve dans les loupes et les microscopes, déforment les rayons de lumière provenant de différentes directions en modifiant leur phase afin qu’ils atteignent le même endroit dans l’espace, le point focal.
Les lentilles temporelles, d’autre part, « plient » les faisceaux lumineux de manière similaire, mais elles modifient la phase des faisceaux lumineux dans le temps plutôt que dans l’espace. De cette façon, différentes couleurs de lumière, qui se déplacent à des vitesses différentes, sont resynchronisées afin qu’elles atteignent chacune le plan focal en même temps.
Imaginez une course automobile, dans laquelle chaque couleur de lumière est une voiture différente. Tout d’abord, la lentille temporelle échelonne le temps de départ de chaque voiture, puis règle leur vitesse pour qu’elles arrivent à la ligne d’arrivée en même temps.
Pour générer des impulsions femtosecondes, le dispositif de l’équipe utilise une série de guides d’ondes optiques, de coupleurs, de modulateurs et de réseaux optiques sur la plate-forme de niobate de lithium mise au point par le laboratoire de Lončar.
L’équipe commence par faire passer un faisceau laser unicolore à onde continue à travers un modulateur d’amplitude qui contrôle la quantité de lumière traversant la lentille temporelle, une fonction similaire à une ouverture dans une lentille conventionnelle. La lumière se propage ensuite à travers la partie « courbée » de la lentille, un modulateur de phase dans ce cas, où un peigne de fréquence de différentes couleurs est généré. Pour en revenir à l’analogie de la voiture, le modulateur de phase crée puis libère les voitures de différentes couleurs à différents moments de démarrage.
Ensuite, le composant final du laser entre en jeu – un réseau en arête de poisson le long du guide d’ondes. Le réseau modifie la vitesse des différentes couleurs de lumière pour les aligner les unes sur les autres, au coude à coude dans la course, afin qu’elles atteignent la ligne d’arrivée (ou le plan focal) en même temps
Étant donné que l’appareil contrôle la vitesse de déplacement des différentes longueurs d’onde et le moment où elles atteignent le plan focal, il transforme efficacement le faisceau laser continu à une seule couleur en une source d’impulsions à large bande et à haute intensité qui peut produire des rafales ultra-rapides de 520 femtosecondes.
L’appareil est hautement réglable, intégré sur une puce de 2 cm sur 4 mm et, en raison des propriétés électro-optiques du niobate de lithium, nécessite une puissance considérablement réduite par rapport aux produits de table.
« Nous avons montré que la photonique intégrée offre des améliorations simultanées en termes de consommation d’énergie et de taille », a déclaré Mengjie Yu, ancien boursier postdoctoral à SEAS et premier auteur de l’étude.
« Il n’y a pas de compromis ici ; vous économisez de l’énergie en même temps que vous économisez de l’espace. Vous obtenez simplement de meilleures performances à mesure que l’appareil devient plus petit et plus intégré. Imaginez, à l’avenir, nous pourrons transporter des lasers à impulsions femtosecondes dans nos poches pour comprendre comment les fruits frais c’est ou suivre notre bien-être en temps réel, ou dans nos voitures pour faire des mesures de distance. »
Ensuite, l’équipe vise à explorer certaines des applications du laser lui-même et de la technologie des lentilles temporelles, y compris dans les systèmes de lentilles comme les télescopes ainsi que dans le traitement du signal ultrarapide et les réseaux quantiques.
Plus d’information:
Mengjie Yu et al, Générateur d’impulsions femtoseconde intégré sur niobate de lithium à couche mince, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05345-1