Des chercheurs de l'Université de Rochester ont créé un laser à micropeigne à l'échelle d'une puce avec une conception innovante qui permet aux utilisateurs de contrôler le peigne de fréquence optique simplement en allumant une source d'alimentation. Crédit : Photo de l’Université de Rochester / J. Adam Fenster
Les lasers créés à l'Université de Rochester ouvrent la voie à de nouveaux générateurs de peignes de fréquence sur puce.
Les peignes de fréquence optique, dispositifs essentiels à la mesure de la lumière, ont transformé des domaines tels que la métrologie, la spectroscopie et le développement de l'horloge atomique. Cependant, la difficulté de produire des générateurs de peignes de fréquence à l’échelle d’une micropuce a limité leur intégration dans des technologies courantes, telles que l’électronique portative.
Dans une étude publiée dans Communications naturellesdes chercheurs de l'Université de Rochester décrivent les nouveaux lasers à micropeigne qu'ils ont développés, qui surmontent les limitations précédentes et présentent une conception simple qui pourrait ouvrir la porte à un large éventail d'utilisations.
Que sont les micropeignes ?
Les peignes de fréquence optique génèrent un spectre de lumière composé de plusieurs faisceaux cohérents, chacun accordé sur une fréquence ou une couleur différente, à des distances régulièrement espacées. La forme résultante ressemble aux dents d’un peigne à cheveux. Ces dernières années, les scientifiques ont travaillé à la création de versions miniaturisées de cette technologie, ou micropeignes, pouvant s'adapter à de petites puces.
Mais même si les scientifiques ont fait des progrès dans le prototypage des micropeignes, ils ont eu un succès limité dans la production de versions viables pouvant être appliquées dans des dispositifs pratiques. Les obstacles incluent une faible efficacité énergétique, une contrôlabilité limitée, des réponses mécaniques lentes et la nécessité d'une préconfiguration sophistiquée du système.

Zhengdong Gao, doctorant en génie électrique et informatique, ajuste un nouveau dispositif laser à micropeigne « tout-en-un » créé dans le laboratoire du professeur Qiang Lin. Crédit : Photo de l’Université de Rochester / J. Adam Fenster
Une approche simplifiée
Une équipe de chercheurs dirigée par Qiang Lin, professeur au Département de génie électrique et informatique de Rochester et à l'Institut d'optique, a créé une approche unique pour résoudre ces défis dans un seul appareil.
Selon Jingwei Ling, doctorant en génie électrique et informatique dans le laboratoire de Lin et auteur principal de l'article, les approches précédentes reposaient généralement sur un laser à longueur d'onde unique injecté dans un convertisseur non linéaire qui peut transférer la longueur d'onde unique en plusieurs longueurs d'onde, formant le peigne optique.
« Nous avons éliminé la longueur d'onde unique car cela dégraderait l'efficacité du système », explique Ling. « Au lieu de cela, tout le peigne lui-même est amplifié dans une boucle de rétroaction à l'intérieur du système, de sorte que toutes les longueurs d'onde sont réfléchies et améliorées à l'intérieur d'un seul élément. »
La simplicité du laser à micropeigne « tout-en-un » se traduit par une demande de puissance moindre, des coûts réduits, une accordabilité élevée et un fonctionnement clé en main.
«Il est facile à utiliser», explique le co-auteur Zhengdong Gao, également doctorant en génie électrique et informatique dans le laboratoire de Lin. « Les méthodes précédentes rendent difficile l'excitation du peigne, mais avec cette méthode, il nous suffit d'allumer la source d'alimentation et nous pouvons contrôler le peigne directement. »
Des obstacles subsistent pour la mise en œuvre de ces lasers à micropeigne, en particulier avec le développement de techniques de fabrication permettant de créer des composants aussi minuscules dans les tolérances nécessaires à la fabrication. Mais les chercheurs espèrent que leurs appareils pourront être utilisés pour des applications telles que les systèmes de télécommunications et la détection et la télémétrie de la lumière (LiDAR) pour les véhicules autonomes.
La Defense Advanced Research Projects Agency et la National Science Foundation ont soutenu cette recherche.