Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour créer des lasers compacts à mode verrouillé sur des puces photoniques, en utilisant du niobate de lithium pour le 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.
Caltech a innové une méthode pour créer des lasers compacts et intégrés à mode verrouillé sur des puces photoniques, transformant potentiellement les applications laser ultrarapides à des échelles plus petites avec des performances améliorées.
Les lasers sont devenus relativement courants dans la vie quotidienne, mais ils ont de nombreuses utilisations en dehors de la fourniture de spectacles de lumière lors des raves et de la lecture de codes-barres sur les produits d’épicerie. Les lasers revêtent également une grande importance dans les télécommunications et l’informatique ainsi que dans la recherche en biologie, chimie et physique.
La valeur des impulsions laser ultracourtes
Dans ces dernières applications, les lasers capables d’émettre des impulsions extrêmement courtes – de l’ordre d’un billionième de seconde (une picoseconde) ou plus courtes – 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 d’une réaction chimique ou le mouvement des électrons dans les matériaux. Ces impulsions ultracourtes sont également largement utilisées pour les applications d’imagerie car elles peuvent avoir des intensités de crête extrêmement élevées mais une faible puissance moyenne, ce qui évite de chauffer ou même de brûler des échantillons tels que des tissus biologiques.
Avancées de la technologie laser
Dans un article paru dans la revue Science, Alireza Marandi de Caltech, professeur adjoint de génie électrique et de physique appliquée, décrit une nouvelle méthode développée par son laboratoire pour fabriquer ce type de laser, connu sous le nom de laser à mode verrouillé, sur une puce photonique. Les lasers sont fabriqués à partir de à l’échelle nanométrique composants (un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre), leur permettant d’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.
Un laser nanophotonique à mode verrouillé construit sur du niobate de lithium émet un faisceau de lumière laser verte. Crédit : Caltech
« Nous ne cherchons pas seulement à rendre les lasers à mode verrouillé plus compacts », explique Marandi. « Nous sommes ravis de créer un laser à mode verrouillé performant sur une puce nanophotonique et de le combiner avec d’autres composants. C’est alors que nous pouvons construire un système photonique ultrarapide complet dans un circuit intégré. Cela amènera la richesse de la science et de la technologie ultrarapides, appartenant actuellement à des expériences à l’échelle métrique, aux puces à l’échelle millimétrique.
Lasers ultrarapides et reconnaissance du prix Nobel
Les lasers ultrarapides de ce type sont si importants pour la recherche que le prix Nobel de physique de cette année a été décerné à un trio de scientifiques pour le développement de lasers produisant des impulsions attosecondes (une attoseconde équivaut à un quintillionième de seconde). De tels lasers, cependant, sont actuellement extrêmement coûteux et encombrants, explique Marandi, qui note que ses recherches explorent des méthodes permettant d’atteindre de tels délais sur des puces qui peuvent être plusieurs fois moins chères et plus petites, dans le but de développer des technologies photoniques ultrarapides abordables et déployables. .
« Ces expériences attosecondes sont réalisées presque exclusivement avec des lasers ultrarapides à mode verrouillé », explique-t-il. « Et certains d’entre eux peuvent coûter jusqu’à 10 millions de dollars, une bonne partie de ce coût étant constituée du laser à mode verrouillé. Nous sommes vraiment ravis de réfléchir à la manière dont nous pouvons reproduire ces expériences et fonctionnalités en nanophotonique.
Laser innovant à mode verrouillé nanophotonique
Au cœur du laser nanophotonique à mode verrouillé développé par le laboratoire de Marandi se trouve le niobate de lithium, un sel synthétique doté de propriétés optiques et électriques uniques qui, dans ce cas, permet de contrôler et de façonner les impulsions laser grâce à l’application d’un radio-émetteur externe. signal électrique de fréquence. Cette approche est connue sous le nom de verrouillage de mode actif avec modulation de phase intracavité.
« Il y a environ 50 ans, les chercheurs ont utilisé la modulation de phase intracavité dans des expériences sur table pour fabriquer des lasers à modes verrouillés et ont décidé que ce n’était pas une très bonne solution par rapport à d’autres techniques », explique Qiushi Guo, premier auteur de l’article et ancien chercheur postdoctoral. dans le laboratoire de Marandi. « Mais nous avons trouvé que cela convenait parfaitement à notre plate-forme intégrée. »
« Au-delà de sa taille compacte, notre laser présente également toute une gamme de propriétés fascinantes. Par exemple, nous pouvons régler avec précision la fréquence de répétition des impulsions de sortie dans une large plage. Nous pouvons en tirer parti pour développer des sources en peigne de fréquence stabilisées à l’échelle d’une puce, qui sont essentielles à la métrologie des fréquences et à la détection de précision », ajoute Guo, qui est maintenant professeur adjoint au Advanced Science Research Center de l’Université de la ville de New York.
Objectifs futurs et impact de la recherche
Marandi dit qu’il vise à continuer d’améliorer cette technologie afin qu’elle puisse fonctionner sur des délais encore plus courts et des puissances de crête plus élevées, avec un objectif de 50 femtosecondes (une femtoseconde équivaut à un quadrillionième de seconde), ce qui serait une amélioration de 100 fois par rapport à son objectif. appareil actuel, qui génère des impulsions d’une durée de 4,8 picosecondes.
L’article décrivant la recherche s’intitule « Laser à verrouillage de mode ultrarapide dans le niobite de lithium nanophotonique » et paraît dans le numéro du 9 novembre de Science.
Les co-auteurs sont Benjamin K. Gutierrez (MS ’23), étudiant diplômé en physique appliquée ; les étudiants diplômés en génie électrique Ryoto Sekine (MS ’22), Robert M. Gray (MS ’22), James A. Williams, Selina Zhou (BS ’22) et Mingchen Liu ; Luis Ledezma (PhD ’23), affilié externe en génie électrique ; Luis Costa, anciennement chez Caltech et maintenant avec JPLque Caltech gère pour NASA; et Arkadev Roy (MS ’23, PhD ’23), anciennement de Caltech et maintenant à l’UC Berkeley.
Le financement de la recherche a été assuré par le Bureau de recherche de l’Armée, la Fondation nationale des sciences et le Bureau de recherche scientifique de l’Armée de l’Air.
