Des lasers à lumière visible hautes performances qui tiennent sur le bout des doigts

Malgré son succès, il manquait à la photonique intégrée un élément clé pour parvenir à une miniaturisation complète : les lasers à haute performance à l’échelle de la puce. Bien que des progrès aient été réalisés sur les lasers proches de l’infrarouge, les lasers à lumière visible qui alimentent actuellement les puces photoniques sont encore de laboratoire et coûteux. Étant donné que la lumière visible est essentielle pour un large éventail d’applications, y compris l’optique quantique, les écrans et la bioimagerie, il existe un besoin de lasers à puce accordables et à largeur de raie étroite émettant de la lumière de différentes couleurs.

Inventer des lasers hautes performances qui tiennent sur le bout des doigts

Des chercheurs du Lipson Nanophotonics Group de Columbia Engineering ont créé des lasers visibles de couleurs très pures allant du proche ultraviolet au proche infrarouge qui tiennent sur le bout du doigt. Les couleurs des lasers peuvent être réglées avec précision et extrêmement rapides – jusqu’à 267 pétahertz par seconde, ce qui est essentiel pour des applications telles que l’optique quantique. L’équipe est la première à faire la démonstration de lasers à largeur de raie étroite et accordables à l’échelle de la puce pour les couleurs de lumière inférieures au rouge – vert, cyan, bleu et violet. Ces lasers peu coûteux ont également la plus petite empreinte et la longueur d’onde la plus courte (404 nm) de tous les lasers intégrés accordables et à largeur de raie étroite émettant de la lumière visible. L’étude, qui a été présentée pour la première fois lors de la session post-date limite CLEO 2021 le 14 mai 2021, a été publiée en ligne le 23 décembre 2022 par Photonique de la nature.

“Ce qui est passionnant dans ce travail, c’est que nous avons utilisé la puissance de la photonique intégrée pour briser le paradigme existant selon lequel les lasers visibles hautes performances doivent être de paillasse et coûter des dizaines de milliers de dollars”, déclare l’auteur principal de l’étude, Mateus Corato Zanarella, un étudiant au doctorat qui travaille avec Michal Lipson, professeur Higgins de génie électrique et professeur de physique appliquée. “Jusqu’à présent, il était impossible de réduire et de déployer en masse des technologies nécessitant des lasers visibles accordables et à largeur de raie étroite. Un exemple notable est l’optique quantique, qui exige des lasers hautes performances de plusieurs couleurs dans un seul système. Nous espérons que nos découvertes permettra des systèmes de lumière visible entièrement intégrés pour les technologies existantes et nouvelles.”

Avantages d’émettre des longueurs d’onde inférieures au rouge

L’importance des lasers émettant des longueurs d’onde plus courtes que le rouge est claire lorsque l’on considère certaines applications importantes. Les écrans, par exemple, nécessitent simultanément une lumière rouge, verte et bleue pour composer n’importe quelle couleur. En optique quantique, les lasers verts, bleus et violets sont utilisés pour piéger et refroidir les atomes et les ions. Dans le Lidar sous-marin (Light Detection and Ranging), une lumière verte ou bleue est nécessaire pour éviter l’absorption d’eau. Cependant, à des longueurs d’onde plus courtes que le rouge, les pertes de couplage et de propagation des circuits intégrés photoniques augmentent significativement, ce qui a empêché la réalisation de lasers performants à ces couleurs.

Résoudre les problèmes de couplage et de perte de propagation

Les chercheurs ont résolu le problème de perte de couplage en choisissant des diodes Fabry-Perot (FP) comme sources lumineuses, ce qui minimise l’impact des pertes sur les performances des lasers à puce. Contrairement à d’autres stratégies qui utilisent différents types de sources, l’approche de l’équipe permet la réalisation de lasers à des longueurs d’onde record (404 nm) tout en offrant une évolutivité à des puissances optiques élevées, les diodes laser FP sont des lasers à semi-conducteurs peu coûteux et compacts largement utilisés dans recherche et industrie. Cependant, ils émettent de la lumière de plusieurs longueurs d’onde simultanément et ne sont pas facilement accordables, ce qui les empêche d’être directement utilisés pour des applications nécessitant des lasers purs et précis. En les combinant avec la puce photonique spécialement conçue, les chercheurs sont en mesure de modifier l’émission laser pour qu’elle soit à fréquence unique, à largeur de raie étroite et largement accordable.

L’équipe a surmonté le problème de perte de propagation en concevant une plate-forme qui minimise à la fois l’absorption du matériau et les pertes de diffusion de surface simultanément pour toutes les longueurs d’onde visibles. Pour guider la lumière, ils ont utilisé du nitrure de silicium, un diélectrique largement utilisé dans l’industrie des semi-conducteurs qui est transparent pour la lumière visible de toutes les couleurs. Même s’il y a une absorption minimale, la lumière subit toujours une perte due à la rugosité inévitable des processus de fabrication. L’équipe a résolu ce problème en concevant un circuit photonique avec un type spécial de résonateur en anneau. L’anneau a une largeur variable le long de sa circonférence, permettant un fonctionnement monomode caractéristique des guides d’ondes étroits et une faible perte caractéristique des guides d’ondes larges. Le circuit photonique résultant fournit une rétroaction optique sélective en longueur d’onde aux diodes FP qui force le laser à émettre à une seule longueur d’onde souhaitée avec une largeur de raie très étroite.

“En combinant ces pièces au design complexe, nous avons pu construire une plate-forme robuste et polyvalente qui est évolutive et fonctionne pour toutes les couleurs de lumière”, a déclaré Corato Zanarella.

Révolutionner les technologies

« En tant que fabricant de lasers, nous reconnaissons que la photonique intégrée aura un impact considérable sur notre industrie et permettra une nouvelle génération d’applications jusqu’ici impossibles », a déclaré Chris Haimberger, directeur de la technologie laser, TOPTICA Photonics, Inc. « Cette Ce travail représente une avancée importante dans la recherche de lasers visibles compacts et accordables qui alimenteront les développements futurs dans les domaines de l’informatique, de la médecine et de l’industrie.”

Les résultats de l’étude pourraient révolutionner un large éventail d’applications, notamment :

• Informations quantiques. La plupart des bits quantiques pour le calcul quantique utilisent des atomes ou des ions qui sont piégés et sondés à l’aide de la lumière visible. La lumière doit être très pure (largeur de raie étroite) et avoir des longueurs d’onde très spécifiques pour traiter les transitions atomiques. Actuellement, les lasers disponibles pour ces applications sont chers et de laboratoire. Cette nouvelle étude montre que ces sources encombrantes peuvent être remplacées par des puces minuscules et peu coûteuses, ce qui permettra de réduire l’échelle des systèmes quantiques et de faire à terme partie des technologies accessibles au grand public.
• Horloges atomiques. Les horloges les plus précises sont basées sur des atomes de strontium, qui doivent être piégés et sondés par des lasers de différentes couleurs en même temps. Comme pour les systèmes d’optique quantique, la taille massive des lasers actuellement disponibles confine cette technologie aux laboratoires de recherche. Les lasers à l’échelle de la puce permettront de réduire ces systèmes dans le but de fabriquer des horloges atomiques portables.
• Biodétection. Plusieurs sondes neurales utilisent une technologie appelée optogénétique pour mesurer, modifier et comprendre la réponse neurale. Dans cette technologie, les neurones sont génétiquement modifiés pour produire un type de protéine appelée opsine qui est sensible à la lumière visible. En faisant briller de la lumière visible, généralement bleue, dans ces cellules, les scientifiques peuvent activer à volonté des neurones spécifiques. De même, dans l’imagerie fluorescente, les fluorophores doivent être excités avec de la lumière visible afin de générer les images souhaitées. Ces lasers compacts et performants ouvrent les portes de la miniaturisation de ces systèmes.
• Plage sous-marine. La télémétrie sous-marine nécessite une lumière bleue ou verte car l’eau de l’océan absorbe fortement la lumière de toutes les autres couleurs. De plus, pour la stratégie de télémétrie populaire appelée LiDAR à onde continue à modulation de fréquence, le laser doit être rapidement réglable pour une détection précise de la distance et de la vitesse des objets. Ces lasers pourraient être utilisés pour des systèmes de télémétrie sous-marine portables utilisant cette technologie.
• Li-Fi. À mesure que la demande de bande passante dans les systèmes de communication augmente, les réseaux sont devenus saturés. Le Li-Fi, ou communication par lumière visible, est une technologie en plein essor qui promet de compléter les liaisons hertziennes traditionnelles côté utilisateur pour surmonter ce goulot d’étranglement. Les vitesses de modulation élevées des lasers sont idéales pour permettre des liaisons de communication sans fil optiques extrêmement rapides.

Prochaines étapes

Les chercheurs, qui ont déposé un brevet provisoire pour leur technologie, explorent maintenant comment conditionner optiquement et électriquement les lasers pour les transformer en unités autonomes et les utiliser comme sources dans des moteurs de lumière visible à l’échelle de la puce, des expériences quantiques et des horloges optiques.

“Pour aller de l’avant, nous devons être capables de miniaturiser et de mettre à l’échelle ces systèmes, leur permettant d’être éventuellement intégrés dans des technologies déployées en masse”, a déclaré Lipson, un pionnier de la photonique sur silicium dont les recherches ont fortement façonné le domaine depuis sa création. il y a des décennies, avec des contributions fondamentales dans les dispositifs actifs et passifs qui font partie de toute puce photonique actuelle. Elle a ajouté : « La photonique intégrée est un domaine passionnant qui révolutionne véritablement notre monde, des télécommunications optiques à l’information quantique en passant par la biodétection.