À mesure que la technologie progresse, les systèmes photoniques gagnent du terrain sur l'électronique traditionnelle, en utilisant la lumière pour transmettre et traiter les informations plus efficacement. L'un de ces systèmes optiques est le balayage du faisceau laser (LBS), où les faisceaux laser sont rapidement dirigés vers le balayage, le sens ou l'affichage des informations.
Cette technologie est utilisée dans des applications allant des scanners de code-barres dans les épiceries aux projecteurs laser dans des émissions de lumière. Pour traiter une gamme plus large de signaux ou activer la sortie en couleur, ces systèmes utilisent des multiplexeurs qui fusionnent les faisceaux laser rouges, verts et bleus (RGB) en un seul faisceau.
Traditionnellement, cela a été réalisé en modulant directement chaque laser, en les allumant et en les éteignant pour contrôler la sortie. Cependant, cette approche est relativement lente et à forte puissance énergétique. Une étude récente des chercheurs de la TDK Corporation (Japon) rapporte le développement d'un multiplexeur RVB plus rapide et plus économe en énergie basé sur du niobate de lithium à couches minces (TFLN).
L'œuvre est publiée dans Nexus photonique avancée.
Le niobate de lithium est un matériau polyvalent largement utilisé dans la photonique en raison de ses excellentes propriétés électro-optiques, non linéaires et acousto-optiques. Le TFLN est largement utilisé dans les modulateurs optiques infrarouges et est de plus en plus apprécié pour sa capacité à guider la lumière visible. Contrairement aux systèmes conventionnels, l'approche basée sur TFLN utilise des champs électriques pour contrôler comment la lumière se propage et se combine, permettant des vitesses de modulation plus élevées et une consommation d'énergie plus faible.
Décrivant la motivation de l'équipe pour l'étude, l'auteur correspondant Atsushi Shimura note: « Un multiplexeur RGB basé sur TFLN est essentiel pour les LB avec une consommation d'énergie plus faible et une résolution plus élevée; cependant, cela n'avait jamais été démontré, et le multiplexeur RVB a été limité au circuit intégré photonique basé sur le verre. »
Le multiplexeur, mesurant seulement 2,3 millimètres de longueur, a été créé à l'aide d'une technique de dépôt de vapeur physique (« pulvérisation ») pour déposer le film LN, suivi d'une gravure pour former des guides d'ondes qui dirigent la lumière laser. Avec cette approche, la fabrication évite le processus de liaison complexe généralement requise avec du niobate de lithium en vrac, résultant en une voie évolutive et rentable vers des circuits compacts à base de lumière compacts en masse.
La structure des guides d'ondes a été soigneusement conçue pour guider efficacement la lumière, avec une section transversale trapézoïdale qui a contribué à réduire la perte de signal. En ajustant les longueurs des sections combinées, les chercheurs ont pu affiner les performances de chaque couleur. Lorsqu'il est évalué, le combiner RVB combiné avec succès a combiné rouge (638 nm), vert (520 nm) et laser bleu (473 nm) à travers des guides d'ondes soigneusement conçus.
En ajustant l'intensité de chaque faisceau, les chercheurs ont pu générer des couleurs mixtes telles que le cyan (vert + bleu), le magenta (rouge + bleu) et le jaune (rouge + vert), et même la lumière blanche, en combinant les trois couleurs primaires. Un tel contrôle des couleurs précis est essentiel pour les écrans basés sur LBS.
Bien que les résultats soient encourageants, l'étude met également en évidence certains défis importants à relever à l'avenir. Un problème clé est la qualité des cristaux inférieurs du TFLN déposée par la pulvérisation par rapport au niobate de lithium en vrac, qui affecte les performances à des longueurs d'onde plus courtes.
Par exemple, à 473 nm (lumière bleue), la perte optique mesurée était comprise entre 7 et 10 dB, significativement supérieure à la valeur simulée de 3,1 dB. Cette perte a été principalement causée par la rugosité de surface dans les guides d'ondes, qui disperse la lumière et réduit l'efficacité globale.
« L'optimisation des processus de fabrication pour produire des surfaces plus lisses est une étape clé vers la réalisation du potentiel de TFLN dans la photonique et les applications à lumière visible », remarque Shimura.
Malgré ces limites, les résultats jettent une base pour développer des multiplexeurs évolutifs, plus rapides et plus économes en énergie pour les futurs systèmes LBS à lumière visible.
« Ce travail démontre la faisabilité d'un multiplexeur RVB passif comme première étape vers le développement de circuits intégrés photoniques actifs », note Shimura.
