Une équipe de chercheurs de l’EPFL a mis au point un dispositif hybride qui améliore considérablement la technologie laser existante. Cette innovation pourrait avoir des implications majeures dans divers domaines tels que les télécommunications, la métrologie et d’autres applications de haute précision.
Le Laboratoire de Systèmes Photoniques (PHOSL) de l’EPFL a développé une source laser à l’échelle d’une puce qui améliore les performances des lasers à semi-conducteurs tout en permettant la génération de longueurs d’onde plus courtes. Cette recherche, dirigée par le professeur Camille Brès et le chercheur postdoctoral Marco Clementi, représente une avancée significative dans le domaine de la photonique.
Leur étude, publiée dans la revue Light: Science & Applications, révèle comment les chercheurs du PHOSL, en collaboration avec le Laboratoire de Photonique et de Mesures Quantiques, ont réussi à intégrer des lasers à semi-conducteurs avec des circuits photoniques en nitrure de silicium contenant des micro-résonateurs.
Cette intégration donne naissance à un dispositif hybride capable d’émettre une lumière très uniforme et précise dans les gammes proche infrarouge et visible, comblant ainsi une lacune technologique qui a longtemps posé problème à l’industrie.
Une précision accrue et une fonctionnalité améliorée
L’approche de l’équipe consiste à coupler des lasers à semi-conducteurs disponibles dans le commerce avec une puce en nitrure de silicium. Cette petite puce est créée avec la technologie CMOS, standard de l’industrie et économique. Grâce aux propriétés exceptionnelles de faible perte du matériau, il y a peu ou pas de lumière qui est absorbée ou qui s’échappe. La lumière du laser à semi-conducteur circule à travers des guides d’ondes microscopiques dans des cavités extrêmement petites, où le faisceau est piégé.
Ces cavités, appelées micro-résonateurs en anneau, sont conçues de manière complexe pour résonner à des fréquences spécifiques, amplifiant sélectivement les longueurs d’onde souhaitées tout en atténuant les autres, ce qui permet d’obtenir une cohérence améliorée dans la lumière émise.
Une technologie pour les applications futures
« Nous ne faisons pas qu’améliorer la technologie existante, mais nous repoussons également les limites de ce qui est possible avec les lasers à semi-conducteurs », explique Marco Clementi, qui a joué un rôle clé dans le projet. « En comblant le fossé entre les longueurs d’onde des télécommunications et celles du visible, nous ouvrons la porte à de nouvelles applications dans des domaines tels que l’imagerie biomédicale et la mesure précise du temps. »
Une des applications les plus prometteuses de cette technologie est en métrologie, en particulier dans le développement d’horloges atomiques compactes. « Cette avancée significative pose les bases des technologies futures, dont certaines restent à concevoir », note encore Marco Clementi.
En synthèse
La compréhension approfondie de la photonique et de la science des matériaux par l’équipe pourrait potentiellement conduire à des dispositifs plus petits et plus légers et réduire la consommation d’énergie et les coûts de production des lasers. Leur capacité à prendre un concept scientifique fondamental et à le traduire en une application pratique en utilisant la fabrication standard de l’industrie souligne le potentiel de résolution de défis technologiques complexes qui peuvent conduire à des avancées imprévues.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un laser à semi-conducteurs ?
Un laser à semi-conducteurs est un type de laser qui utilise un semi-conducteur (comme les diodes laser) comme milieu de gain pour produire de la lumière.
Qu’est-ce que la photonique ?
La photonique est la science et la technologie de la génération, du contrôle et de la détection des photons, qui sont des particules de lumière.
Qu’est-ce que la métrologie ?
La métrologie est la science de la mesure. Elle joue un rôle crucial dans presque tous les aspects de la vie quotidienne, de la fabrication de produits à la recherche scientifique et à la santé publique.
Qu’est-ce qu’une horloge atomique ?
Une horloge atomique est un type d’horloge qui utilise les vibrations d’atomes pour mesurer le temps avec une précision extrême.
Qu’est-ce que la technologie CMOS ?
La technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) est une technologie de fabrication de circuits intégrés utilisée dans la microélectronique pour créer des transistors.
Références
Clementi, M., Nitiss, E., Durán-Valdeiglesias, E., Belahsene, S., Liu, J., Kippenberg, T. J., Debrégeas, H., & Brès, C.-S. (2023). A chip-scale second-harmonic source via injection-locked all-optical poling. Light: Science & Applications. https://doi.org/10.1038/s41377-023-01329-6
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