Les chercheurs de Cornell ont construit une puce optique programmable capable de changer la couleur de la lumière en fusionnant des photons, sans nécessiter une nouvelle puce pour les nouvelles couleurs.
Cette forme de photonique non linéaire pourrait potentiellement être utilisée pour les réseaux de communications classiques et quantiques, le traitement et le calcul du signal tout optique, la spectroscopie et la détection.
« Auparavant, pour chaque combinaison de couleurs que vous souhaitiez produire, vous deviez fabriquer un nouvel appareil avec un design différent », a déclaré Peter McMahon, professeur agrégé de physique appliquée et d'ingénierie à Cornell Engineering, qui a dirigé le projet. « Nous disposons désormais d'une sorte d'appareil universel qui vous permet d'effectuer toutes les conversions que vous souhaitez, de manière reprogrammable. »
Les résultats sont publiés dans Nature. Le premier auteur de l'article est Ryotatsu Yanagimoto, ancien chercheur postdoctoral au McMahon Lab et scientifique invité de NTT Research.
Dans le régime de l'optique linéaire, la fréquence, c'est-à-dire la couleur, des photons ne change pas et les photons ont tendance à s'ignorer. La plupart des objets optiques que les gens rencontrent dans la vie quotidienne, des lunettes aux écrans de téléphones portables, entrent dans cette catégorie.
Mais en optique non linéaire, les photons interagissent les uns avec les autres et peuvent changer de fréquence. Contraint par les lois de conservation de l’énergie, un photon d’énergie supérieure peut être converti en deux photons à la moitié de l’énergie. À l’inverse, deux photons de plus faible énergie dans un milieu optique non linéaire peuvent être combinés en un photon de plus haute énergie. L'équipe de McMahon a réalisé diverses démonstrations de ce dernier avec sa puce.
Pour y parvenir, ils ont combiné deux concepts. La première consistait à appliquer un champ électrique important sur la puce via des sondes haute tension, permettant des conversions de fréquence dans un matériau qui ne le permettrait normalement pas. La deuxième idée est venue d'un domaine scientifique complètement différent il y a 20 ans, lorsque des chercheurs ont construit un dispositif capable de manipuler des cellules biologiques à l'aide d'un champ lumineux structuré pour programmer la distribution du champ électrique de l'appareil.
Le co-auteur Logan Wright, un autre ancien chercheur postdoctoral du groupe de McMahon, avait réalisé que la même approche pouvait être adaptée pour fabriquer des dispositifs photoniques programmables.
« En combinant ces deux techniques, nous avons pu contrôler un matériau pour le rendre non linéaire dans certaines régions et non non linéaire dans d'autres régions », a déclaré McMahon. « Et il ressort de la théorie de l'optique non linéaire que si vous voulez contrôler les couleurs que vous obtenez, vous devez être capable d'effectuer ce type de contrôle de la non-linéarité du cristal en fonction de l'espace. »
Le cœur de l’appareil est une plaque de cristal de forme plane dans laquelle la lumière ne peut voyager que latéralement, et non vers le haut ou vers le bas. Les chercheurs ont envoyé de la lumière laser dans ce soi-disant guide d’ondes en dalle et ont pu contrôler la manière dont des photons de différentes couleurs pouvaient être combinés pour produire de la lumière de différentes couleurs émergeant de la puce.
L'équipe a fabriqué l'appareil au Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF) à Duffield Hall, le deuxième auteur Benjamin Ash '26 jouant un rôle de premier plan dans la conception du processus de fabrication, la construction des appareils et leur test.
Bien que le dispositif reste une démonstration de principe, McMahon a déclaré que si les rendements de conversion étaient suffisamment élevés, il pourrait ouvrir une gamme d'opportunités dans le domaine de l'optique non linéaire programmable, allant de la création de nouvelles sources lumineuses à la mise en réseau optique.
« Maintenant, dans les réseaux optiques, les gens utilisent souvent différentes couleurs de lumière à l'intérieur du même morceau de fibre pour communiquer des informations entre ordinateurs. Notre type d'appareil serait un élément de base intéressant à avoir, à chaque extrémité de la fibre, vous permettant de modifier de manière reprogrammable les longueurs d'onde de la lumière », a déclaré McMahon.
« Il existe également un argument de poids en faveur des réseaux quantiques, où nous aimerions vraiment pouvoir interfacer des bits quantiques qui émettent naturellement des photons de couleurs différentes. Nous voulons pouvoir convertir cette lumière dans la bande des télécommunications, ainsi que revenir à la longueur d'onde naturelle d'un bit quantique différent. Avoir un appareil où tout cela est possible dans un seul boîtier semble être un outil utile. «
