Une équipe internationale de scientifiques dirigée par la Nanyang Technological University de Singapour (NTU Singapour) a développé un nouveau type de laser ultracompact qui est plus économe en énergie et consomme moins de puissance.
Plus petit qu'un grain de sable, le laser de taille micrométrique intègre une conception spéciale qui réduit les fuites de lumière. La minimisation de la perte de lumière signifie que moins d'énergie est nécessaire pour faire fonctionner le laser par rapport à d'autres lasers hautement compacts.
Le laser émet de la lumière dans la région de Terahertz (30 μm – 3 mm), une fréquence de communication 6G, et pourrait ouvrir la voie à une communication sans fil à grande vitesse du futur.
La recherche a été publiée dans Photonique de la nature.
Pourquoi les lasers perdent la lumière
Les lasers ultracompactes ont un large éventail d'applications dans diverses industries, en particulier dans les petits appareils. Ils sont également essentiels pour les technologies de nouvelle génération telles que l'informatique optique, les centres de données, la communication à grande vitesse, l'imagerie médicale et les capteurs avancés.
Cependant, les performances de ces lasers miniatures sont entravées par la perte de lumière.
Une partie de cette perte se produit en raison des fuites latérales de la cavité laser – un composant majeur des lasers qui limite et amplifie la lumière pour produire le faisceau laser.
La lumière est également perdue en raison de la diffusion causée par des imperfections dans le cristal photonique, qui est construite à partir de matériaux semi-conducteurs pour contrôler la propagation de la lumière.
Ces effets induisant la perte sont plus significatifs dans les lasers ultracompactes que les lasers plus grands. Dans certains cas, la perte de lumière est si grave qu'elle empêche de minuscules lasers de travailler correctement.
Réduire la perte de lumière dans toutes les directions
Pour éviter la perte de lumière, le nouveau laser NTU exploite des bandes plates et un phénomène appelé états multiples dans le continuum (BIC).
Les bandes plates sont des bandes d'énergie dans le cristal photonique où les ondes légères ont une vitesse de groupe près de zéro – une mesure de la vitesse d'énergie transportée par les mouvements légers. À la vitesse du groupe presque zéro, l'énergie transportée par des ondes légères reste confinée dans le plan horizontal de la cavité laser.
D'un autre côté, les multi-Bics réduisent la perte de lumière dans la dimension verticale tout en permettant au laser d'émettre une lumière suffisante pour une utilisation pratique. Comme pour les écouteurs de comending au bruit, des motifs d'onde spécifiques à la lumière annulent les pièces qui s'échapperaient généralement. La conception de la cavité minimise également efficacement la perte de signaux optiques.
Pour réduire la perte de lumière due à la fuite et à la diffusion, les chercheurs ont conçu une cavité laser qui combine des concepts à la fois des bandes plates et du multi-BIC.
Ils ont créé un arrangement périodique de trous en forme de marguerite dans un cristal photonique composé d'un matériau semi-conducteur pris en sandwich entre deux couches d'or.
Selon les chercheurs, cela pourrait potentiellement être la solution « ultime » pour supprimer les fuites de lumière d'une cavité laser en trois dimensions.
Le laser produit également un faisceau très concentré avec une divergence minimale, ce qui le rend utile pour les applications optoélectroniques.
En mettant à l'échelle la taille des trous d'air et la constante de réseau – l'espacement entre les atomes du cristal photonique – la conception peut être étendue pour créer des lasers qui émettent d'autres longueurs d'onde, telles que la lumière proche infrarouge et visible.
« S'appuyant sur nos plus de quinze ans d'expérience dans l'ingénierie de la structure des bandes photoniques, nous avons reconnu que la combinaison de concepts de bande plate avec BIC pourrait effectivement piéger la lumière et réduire les pertes », explique le professeur Wang Qijie de la NTU, l'École d'ingénierie électrique et électronique (EEE) et l'école des sciences physiques et mathématiques, qui était l'enquêteur principal de l'étude.
« Notre laser surmonte les inconvénients des lasers miniatures existants, ouvrant la porte à des applications allant de la technologie portable de nouvelle génération à l'informatique optique », explique le Dr Cui Jieyuan, chercheur à l'EEE de NTU, qui a été le premier auteur du journal.
« L'innovation est une percée dans la photonique topologique et ouvre une nouvelle voie pour les sources lumineuses compactes, robustes et évolutives dans les systèmes photoniques intégrés », explique le professeur de la photonique, le professeur Zhen Bo de l'Université de Pennsylvanie, qui n'a pas été impliqué dans la recherche.
Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer la puissance du laser et à l'intégrer dans des dispositifs optoélectroniques. Ils ont également déposé une divulgation technique pour l'innovation et recherchent des collaborateurs de l'industrie pour commercialiser la technologie.
