Selon les chercheurs, une percée dans le domaine des puces photoniques pourrait rendre les grands lasers ultrarapides et coûteux considérablement plus petits, conduisant ainsi à des dispositifs d’imagerie, de diagnostic et de traitement de l’information portables et abordables.
En utilisant une architecture laser négligée depuis des décennies, les scientifiques ont réussi à installer un laser ultrarapide sur une minuscule puce photonique – une puce qui utilise la lumière plutôt que l’électricité pour les opérations informatiques.
Dans une nouvelle étude publiée le 3 juin dans la revue Naturel’équipe a démontré qu’un minuscule laser sur la puce photonique pouvait fournir 1,05 nanojoules d’énergie en rafales de 147 femtosecondes (147 quadrillions de seconde), rivalisant ainsi avec la production de lasers ultrarapides de laboratoire.
Les lasers ultrarapides sont utilisés dans diverses applications, depuis la fabrication de précision et la chirurgie oculaire jusqu’à l’imagerie biologique et les horloges atomiques, mais les systèmes nécessaires à leur fonctionnement ont tendance à occuper des tables entières dans les laboratoires ou les usines. Pourtant, la puissance de sortie de ces impulsions laser rendait difficile leur miniaturisation sur des puces photoniques.
« Pendant plus de vingt ans, un laser femtoseconde à haute énergie sur puce était largement considéré comme le Saint Graal de la photonique intégrée », Tobias Kippenbergprofesseur de photonique à l’Ecole polytechnique fédérale de Suisse(EPFL), a déclaré dans un déclaration.
« Notre résultat montre que c’est non seulement possible, mais que cela peut être réalisé avec une architecture étonnamment élégante que la communauté de la photonique intégrée avait négligée. »
Une percée avant-gardiste vient d’un regard en arrière
Les puces photoniques manipulent la lumière en utilisant des structures microscopiques appelées guides d’ondes – généralement sous la forme de fibres optiques ou de cavités gravées – pour transporter les informations. Ils ne sont pas particulièrement nouveaux et peuvent être trouvés dans communications par fibre optiquecapteurs médicaux et lidar systèmes.
Mais les puces photoniques ont déjà rencontré des difficultés lors de la manipulation de lasers ultrarapides et de grande puissance. En effet, ils doivent contenir la lumière dans des guides d’ondes extrêmement petits, ce qui amène la lumière à interagir fortement avec elle-même et déstabilise les impulsions laser.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont étudié une architecture laser appelée Oscillateur Mamyshevcréé en 1998 par Pavel V. Mamyshev, physicien et ingénieur aux Bell Labs.
Cet oscillateur, peu étudié dans le monde des puces photoniques, fonctionne en plaçant une guide d’ondes non linéaire entre deux filtres optiques. Cela provoque l’expansion d’une impulsion laser de haute intensité dans une gamme plus large de couleurs qui peuvent ensuite traverser les deux filtres tandis que la lumière plus faible, qui peut provoquer une déstabilisation du laser, est bloquée. Cette technique signifie essentiellement qu’une impulsion laser de haute intensité peut être maintenue.
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Étant donné que l’oscillateur Mamyshev ne nécessite pas de composants supplémentaires pour être fabriqué sur une puce, il présente une conception attrayante pour une utilisation sur des puces photoniques. Et bien que la cavité laser nécessaire pour diriger un laser ultrarapide mesure 42 centimètres de long, elle peut être pliée pour occuper à peu près la même surface qu’une tête d’allumette. Cela ne peut pas être réalisé avec les lasers à fibre optique conventionnels, souvent utilisés dans les puces photoniques.
Cela tient compte de la taille, mais le coût des systèmes laser ultrarapides constitue un autre défi. Mais comme les puces photoniques peuvent être fabriquées à l’aide de tranches de silicium de la même manière que les puces informatiques, plus de 1 000 cavités laser pourraient potentiellement être produites en un seul lot, ont indiqué les chercheurs. Ainsi, des puces photoniques dotées de capacités laser ultrarapides pourraient être produites à grande échelle, réduisant ainsi les coûts de fabrication et même élargissant leur utilisation.
Les puces photoniques capables de gérer des lasers ultrarapides pourraient, à l’avenir, conduire à des outils portables pour des tâches telles que la détection de polluants ou la réalisation de diagnostics médicaux avancés sur le terrain, ont noté les chercheurs dans l’étude. La technologie ouvre également la porte à des horloges atomiques plus petites qui pourraient bénéficier à la navigation et aux communications futures.
