Une équipe de recherche scientifique du Joint Quantum Institute (JQI) de l'Université du Maryland aux États-Unis a récemment développé avec succès une nouvelle puce capable de convertir et de produire de manière stable des lasers de plusieurs couleurs sans contrôle externe. Cette percée devrait aligner la technologie d’intégration photonique sur la révolution technologique des semi-conducteurs, ouvrant la voie à l’utilisation pratique des réseaux de communication quantiques et des instruments optiques de précision.
Depuis des années, les scientifiques travaillent dur pour miniaturiser des outils expérimentaux optiques à grande échelle tels que des lasers, des lentilles et des miroirs et les intégrer sur des puces de la taille d’un ongle. La miniaturisation de ces appareils est essentielle pour augmenter les vitesses de communication des données, créer des horloges atomiques de très haute précision et faire évoluer les ordinateurs quantiques qui utilisent la lumière plutôt que les signaux électroniques. Cependant, comment diviser un laser monochromatique en plusieurs composants sur une petite puce pour générer plusieurs nouvelles fréquences a toujours été un problème qui tourmente ce domaine.
Une équipe de recherche du Maryland a désormais surmonté cette difficulté. Ils ont conçu et construit une puce qui convertit une seule couleur de lumière laser en trois fréquences de lumière distinctes. Plus important encore, ce processus ne nécessite pas d’entrée active externe ni de réglage fin complexe, ce qui améliore considérablement la répétabilité et la stabilité du signal optique intégré. Des résultats pertinents ont été publiés dans la revue Science.
Contrairement aux dispositifs optiques traditionnels tels que les prismes, qui sont uniquement chargés de décomposer les couleurs existantes, cette puce peut « créer » de nouvelles fréquences lumineuses qui n’existent pas à l’origine. L’obtention de nouvelles fréquences lumineuses repose sur des effets optiques non linéaires : seul un éclairage de haute intensité modifie les propriétés optiques des matériaux, ce qui affecte à son tour la lumière elle-même. Ce type d'effet non linéaire a été découvert il y a plus de 60 ans (comme la « génération de seconde harmonique » en 1961), mais l'effet lui-même est trop faible et a été difficile à exploiter efficacement dans le passé.
Les puces photoniques intégrées modernes utilisent de minuscules cavités résonantes dans lesquelles la lumière circule des millions de fois, améliorant considérablement les effets non linéaires. Mais même ainsi, de petits changements dans la fabrication, la température, la structure, etc. de la puce rendent toujours la combinaison de fréquences de sortie extrêmement instable.
La nouvelle solution de l’équipe JQI élimine complètement le besoin d’ajustements répétés en concevant une cavité résonante qui « biaise » l’interaction non linéaire requise. Mohammad Hafezi, chef de projet, chercheur JQI et professeur au Département de génie électrique et informatique et de physique de l'Université du Maryland, a déclaré que cette réalisation améliore non seulement les performances, mais offre également une réplicabilité pour la production de masse et l'intégration réelle. La puce peut produire en continu le même spectre sans nécessiter de contrôle actif, ce qui devrait grandement simplifier la difficulté d'intégration de systèmes photoniques à grande échelle.
À mesure que la technologie de génération de fréquence sur puce devient fiable, elle pourrait devenir à l’avenir la base essentielle de la transmission d’informations quantiques basée sur les photons. Chaque couleur de lumière correspond à une fréquence unique. La combinaison stable au niveau atomique de plusieurs fréquences améliorera considérablement la précision de la détection sensible à la phase, à la distance et au temps, bénéficiant ainsi à des domaines de pointe tels que l’informatique quantique et les horloges atomiques portables.