Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode de fabrication de lasers compacts à mode verrouillé sur des puces photoniques, en utilisant du niobate de lithium pour le verrouillage en mode actif. Cette technologie promet d’amener les expériences laser ultrarapides à grande échelle à l’échelle d’une puce, avec des plans pour raccourcir davantage la durée des impulsions et augmenter les puissances de crête.
Les lasers sont devenus relativement courants dans la vie quotidienne, mais ils ont de nombreuses utilisations en plus de fournir des spectacles de lumière lors de rave parties et de scanner les codes-barres des produits d'épicerie. Les lasers sont également importants dans les domaines des télécommunications, de l'informatique et de la recherche biologique, chimique et physique.
Dans cette dernière application, les lasers capables d’émettre des impulsions ultracourtes d’un billionième de seconde (1 picoseconde) ou moins sont particulièrement utiles. Grâce à des lasers fonctionnant sur des échelles de temps aussi courtes, les chercheurs peuvent étudier des phénomènes physiques et chimiques qui se produisent extrêmement rapidement, par exemple la création ou la rupture de liaisons moléculaires lors de réactions chimiques ou le mouvement des électrons à l'intérieur des matériaux. Ces impulsions ultracourtes sont également largement utilisées dans les applications d’imagerie car elles ont une intensité maximale extrêmement élevée mais une faible puissance moyenne, évitant ainsi l’échauffement ou même la brûlure d’échantillons tels que les tissus biologiques.
Dans un article publié dans Science, Alireza Marandi, professeur adjoint de génie électrique et de physique appliquée à Caltech, décrit une nouvelle méthode développée par son laboratoire pour fabriquer de tels lasers, appelés lasers à mode verrouillé, sur des puces photoniques. Les lasers sont construits à l’aide de composants à l’échelle nanométrique (un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre) et peuvent être intégrés dans des circuits basés sur la lumière, similaires aux circuits intégrés basés sur l’électricité que l’on trouve dans l’électronique moderne.
"Nous ne cherchons pas seulement à rendre plus compacts les lasers à mode verrouillé", a déclaré Marandi. "Nous sommes ravis de créer un laser à mode verrouillé très performant sur une puce nanophotonique et de le combiner avec d'autres composants. À ce stade, nous serons en mesure de construire un système photonique ultrarapide complet dans un circuit intégré. Cela apportera la richesse de la science et de la technologie ultrarapides qui appartiennent actuellement aux expériences à l'échelle métrique aux puces à l'échelle millimétrique."
Lasers ultrarapides et reconnaissance du prix Nobel
Ces lasers ultrarapides sont si importants pour la recherche que le prix Nobel de physique de cette année a été décerné à trois scientifiques pour avoir développé des lasers capables de générer des impulsions attosecondes (une attoseconde équivaut à un cinquième de seconde). Cependant, ces lasers sont actuellement extrêmement coûteux et encombrants, et Marandi a noté que ses recherches explorent les moyens d'atteindre de tels délais sur des puces qui peuvent être beaucoup moins chères et plus petites, dans le but de développer des technologies photoniques ultrarapides abordables et déployables.
"Ces expériences attosecondes sont presque toujours réalisées avec des lasers ultrarapides à mode verrouillé", a-t-il déclaré. "Certaines de ces expériences peuvent coûter jusqu'à 10 millions de dollars, dont une grande partie concerne le coût du laser à mode verrouillé. Nous sommes ravis de réfléchir à la manière de reproduire ces expériences et ces capacités en nanophotonique."
Au cœur du laser nanophotonique à mode verrouillé développé dans le laboratoire de Marandi se trouve le niobate de lithium, un sel synthétique doté de propriétés optiques et électriques uniques qui permettent de contrôler et de façonner l'impulsion laser par l'application de signaux électriques radiofréquences externes. Cette approche est appelée verrouillage du mode actif de modulation de phase intracavité.
"Il y a environ 50 ans, les chercheurs utilisaient la modulation de phase intracavité pour créer des lasers à mode verrouillé dans des expériences de bureau et pensaient que cette méthode n'était pas très adaptée par rapport à d'autres technologies", a déclaré Guo Qiushi, premier auteur de l'article et ancien postdoctorant dans le laboratoire de Marandi. "Mais nous avons trouvé que cela correspondait parfaitement à notre plateforme d'intégration."
"En plus d'être petit, notre laser présente une gamme de propriétés fascinantes. Par exemple, nous pouvons régler avec précision le taux de répétition des impulsions de sortie sur une large plage. Nous pouvons exploiter cela pour développer des sources en peigne de fréquence stables à l'échelle d'une puce, qui sont essentielles à la métrologie des fréquences et à la détection de précision", a ajouté Guo, aujourd'hui professeur adjoint au Advanced Science Research Center de l'Université de la ville de New York.
Objectifs futurs et implications pour la recherche
Marandi a déclaré que son objectif est de continuer à améliorer la technologie afin qu'elle puisse fonctionner sur des échelles de temps plus courtes et à des puissances de crête plus élevées, dans le but d'atteindre 50 femtosecondes (une femtoseconde équivaut à un billionième de seconde), ce qui serait une amélioration de 100 fois par rapport à son appareil actuel, qui produit des impulsions d'une durée de 4,8 picosecondes.
L'article présentant la recherche, intitulé "Ultrafast Mode-Locked Lasers in Nanophotonic Lithium Niobate", a été publié dans le numéro du 9 novembre de Science.