Image optique d'un laser à erbium intégré hybride entièrement intégré basé sur un circuit intégré photonique en nitrure de silicium, offrant une cohérence laser à fibre et une accordabilité de fréquence auparavant impossible à réaliser. Crédit : Andrea Bancora et Yang Liu (EPFL)
Des chercheurs de l'EPFL ont développé un laser dopé à l'erbium, compact et performant, à l'échelle d'une puce, élargissant ainsi les applications potentielles en technologie et en médecine.
Les lasers ont transformé le monde depuis les années 1960 et sont devenus essentiels dans les applications modernes, notamment la chirurgie avancée, la fabrication de précision et la transmission de données par fibres optiques.
Mais à mesure que le besoin d’applications laser augmente, les défis augmentent également. Par exemple, il existe un marché en croissance pour les lasers à fibre, qui sont actuellement utilisés dans les applications industrielles de découpe, de soudage et de marquage.
Les lasers à fibre utilisent une fibre optique dopée avec des éléments de terres rares (erbium, ytterbium, néodyme, etc.) comme source de gain optique (la partie qui produit la lumière du laser). Ils émettent des faisceaux de haute qualité, ont une puissance de sortie élevée, sont efficaces, nécessitent peu d’entretien, sont durables et sont généralement plus petits que les lasers à gaz. Les lasers à fibre constituent également la « référence » en matière de bruit de phase faible, ce qui signifie que leurs faisceaux restent stables dans le temps.
Malgré tout cela, il existe une demande croissante pour la miniaturisation des lasers à fibre à l’échelle d’une puce. Les lasers à fibre à base d'erbium sont particulièrement intéressants car ils répondent à toutes les exigences nécessaires au maintien d'une cohérence et d'une stabilité élevées d'un laser. Mais leur miniaturisation s’est heurtée à des difficultés pour maintenir leurs performances à petite échelle.
Aujourd'hui, des scientifiques dirigés par le Dr Yang Liu et le professeur Tobias Kippenberg de l'EPFL ont construit le tout premier laser à guide d'onde dopé à l'erbium intégré à une puce qui se rapproche des performances des lasers à fibre, combinant une grande accordabilité de longueur d'onde avec le côté pratique de l'intégration photonique à l'échelle d'une puce. . La percée est publiée dans Photonique naturelle.
Construire un laser à l'échelle d'une puce
Les chercheurs ont développé leur laser à l'erbium à l'échelle d'une puce en utilisant un processus de fabrication de pointe. Ils ont commencé par construire une cavité optique sur puce d’un mètre de long (un ensemble de miroirs fournissant une rétroaction optique) basée sur un circuit intégré photonique en nitrure de silicium à très faible perte.
« Nous avons pu concevoir la cavité laser pour qu'elle ait une longueur d'un mètre malgré la taille compacte de la puce, grâce à l'intégration de ces résonateurs à micro-anneaux qui étendent efficacement le chemin optique sans agrandir physiquement le dispositif », explique le Dr Liu.
L’équipe a ensuite implanté le circuit avec des ions erbium à haute concentration pour créer sélectivement le milieu de gain actif nécessaire au laser. Enfin, ils ont intégré le circuit avec un laser à pompe à semi-conducteur III-V pour exciter les ions erbium afin de leur permettre d'émettre de la lumière et de produire le faisceau laser.
Image optique d'un laser hybride intégré basé sur un circuit intégré photonique dopé à l'erbium, offrant une cohérence fibre-laser et une accordabilité de fréquence auparavant irréalisable. Crédit : Yang Liu (EPFL)
Pour affiner les performances du laser et obtenir un contrôle précis de la longueur d'onde, les chercheurs ont conçu une conception intra-cavité innovante comprenant des filtres Vernier à microanneaux, un type de filtre optique capable de sélectionner des fréquences de lumière spécifiques.
Les filtres permettent un réglage dynamique de la longueur d'onde du laser sur une large plage, le rendant polyvalent et utilisable dans diverses applications. Cette conception prend en charge un laser monomode stable avec une largeur de ligne intrinsèque incroyablement étroite de seulement 50 Hz.
Il permet également une suppression significative des modes secondaires – la capacité du laser à émettre de la lumière à une fréquence unique et constante tout en minimisant l'intensité des autres fréquences (« modes latéraux »). Cela garantit une sortie « propre » et stable sur tout le spectre lumineux pour les applications de haute précision.
Puissance, précision, stabilité et faible bruit
Le laser à fibre à base d'erbium à l'échelle d'une puce présente une puissance de sortie supérieure à 10 mW et un taux de suppression des modes latéraux supérieur à 70 dB, surpassant de nombreux systèmes conventionnels.
Il a également une largeur de raie très étroite, ce qui signifie que la lumière qu'il émet est très pure et stable, ce qui est important pour les applications cohérentes telles que la détection, les gyroscopes, le LiDAR et la métrologie des fréquences optiques.
Le filtre Vernier basé sur un micro-anneau donne au laser une large accordabilité de longueur d'onde sur 40 nm dans les bandes C et L (gammes de longueurs d'onde utilisées dans les télécommunications), surpassant les lasers à fibre existants en termes de réglage et de métriques d'éperons spectraux faibles (« éperons » sont indésirables). fréquences), tout en restant compatible avec les procédés actuels de fabrication de semi-conducteurs.
Lasers de nouvelle génération
La miniaturisation et l'intégration des lasers à fibre d'erbium dans des dispositifs à l'échelle d'une puce peuvent réduire leurs coûts globaux, les rendant accessibles aux systèmes portables et hautement intégrés dans les domaines des télécommunications, des diagnostics médicaux et de l'électronique grand public.
Il peut également réduire les technologies optiques dans diverses autres applications, telles que le LiDAR, la photonique micro-ondes, la synthèse optique de fréquence et les communications en espace libre.
« Les domaines d'application d'une telle nouvelle classe de lasers intégrés dopés à l'erbium sont pratiquement illimités », explique Liu.
La spin-off du laboratoire, EDWATEC SA, est un fabricant de dispositifs intégrés qui peut désormais proposer des dispositifs basés sur des circuits intégrés photoniques dopés aux ions de terres rares, notamment des amplificateurs et des lasers hautes performances.
