Les physiciens de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas) ont créé un laser compact qui émet des impulsions de lumière extrêmement brillantes et courtes dans une plage de longueurs d'onde utile mais difficile à affronter, emballant les performances de plus grands appareils photoniques sur une seule puce.
Publié dans Naturela recherche est la première démonstration d'un générateur d'impulsions laser sur puce, picoseconde et infrarouge moyen qui ne nécessite aucun composant externe pour fonctionner.
L'appareil peut faire ce qu'on appelle un peigne de fréquence optique, un spectre de lumière composé de lignes de fréquence également espacées (comme un peigne), utilisées aujourd'hui dans des mesures de précision. La nouvelle puce laser pourrait un jour accélérer la création de capteurs de gaz à large spectre très sensibles pour la surveillance environnementale ou de nouveaux types d'outils de spectroscopie pour l'imagerie médicale.
L'auteur principal du journal est Federico Capasso, le professeur de physique appliquée de Robert L. Wallace à Seas et le chercheur principal de Vinton Hayes en génie électrique. Soutenu par la National Science Foundation et le Département de défense, la recherche a été une collaboration avec le groupe Schwarz de l'Université de technologie de Vienne (TU Wien); un consortium de scientifiques italiens dirigé par Luigi A. Lugiato; et Leonardo Drs Daylight Solutions dirigée par Timothy Day.
« Il s'agit d'une nouvelle technologie passionnante qui intègre la photonique non linéaire sur puce pour générer des impulsions ultra-espèces de lumière dans le milieu infrarouge; il n'y a pas existé jusqu'à présent », a déclaré Capasso. « De plus, ces appareils peuvent être facilement produits aux fonderies au laser industriel en utilisant la fabrication standard de semi-conducteurs. »
Le milieu infrarouge est une section invisible du spectre électromagnétique qui est exploité aujourd'hui dans les applications environnementales. Étant donné que de nombreuses molécules de gaz comme le dioxyde de carbone et le méthane absorbent efficacement la lumière infrarouge moyenne, cette gamme de longueurs d'onde a été un outil important pour surveiller les gaz environnementaux, notamment avec la technologie laser en cascade quantique qui a été lancée par Capasso dans les années 1990.
Le nouveau document montre un chemin pour générer une source de lumière à large bande qui pourrait détecter, par exemple, de nombreuses empreintes digitales d'absorption différentes de gaz dans un seul dispositif.
« C'est une étape clé pour créer ce que nous appelons une source de supercontinuum, qui peut générer des milliers de fréquences de lumière différentes, toutes dans une puce », a déclaré Dmitry Kazakov, co-prime auteur et associé de recherche dans le groupe de Capasso. « Je pense que c'est une réelle possibilité pour l'avenir de cette plateforme. »
Le laser en cascade quantique, qui génère des faisceaux cohérents de lumière infrarouge en cascade quantique, génère des faisceaux cohérents de lumière infrarouge en cascade quantique, qui génère des faisceaux cohérents de lumière infrarouge.
Contrairement à d'autres lasers semi-conducteurs qui comptent depuis des décennies sur des techniques bien établies appelées verrouillage du mode pour générer leurs impulsions, les lasers en cascade quantique restent notoirement difficiles à pulser en raison de leur dynamique intrinsèquement ultra-rapide.
Les générateurs d'impulsions infrarouges moyens existants basés sur des lasers en cascade quantique nécessitent généralement des configurations complexes pour obtenir des émissions pulsées ainsi que de nombreux composants matériels discrets. Ils sont également généralement limités à une certaine puissance de sortie et à la bande passante spectrale.
Le nouveau générateur d'impulsions se combine de manière transparente en un seul appareil, plusieurs concepts dans la photonique intégrée non linéaire et les lasers intégrés pour fabriquer des types spécifiques d'impulsions lumineuses picosecondes appelées solitons.
En concevant leur architecture de puce, les chercheurs se sont inspirés d'un type apparemment non lié de dispositif modulant de lumière appelé Kerr Microresonator. Leur pensée créative leur a permis de contourner les techniques traditionnelles, comme le verrouillage du mode, pour la génération d'impulsions.
« Nos mesures n'étaient pas traditionnelles en ce qui concerne la recherche sur le laser en cascade quantique », a déclaré le co-premier auteur Theodore Letsou, étudiant diplômé au MIT et chercheur à la recherche dans le groupe de Capasso. « Nous avons fusionné deux types de champs et pris ce que fait la communauté des résonateurs de Kerr et l'a appliqué à nos systèmes. C'était un processus passionnant. »
« Pour moi, l'impact le plus significatif de notre nouvel ouvrage – au-delà de la physique impressionnante – est la confiance qu'elle nous a donnée dans la fabrication et l'exploitation d'architectures multicomposants, qui est une capacité qui était restée un défi majeur dans la photonique intégrée à mi-infrarouge jusqu'à présent ».
« Nous développons déjà de nouvelles architectures pour permettre aux fonctionnalités que ce soit auparavant impossible. »
Les chercheurs se sont appuyés sur une théorie fondamentale publiée dans les années 1980 qui a établi un cadre pour les résonateurs passifs de Kerr. Luigi Lugiato, qui a travaillé sur la réurgence de son équation d'origine, est l'un des co-auteurs du nouveau journal.
« Il s'agit d'un point culminant passionnant d'un voyage qui a commencé avec l'équation de Lugiato-Lever », a déclaré Lugiato, professeur émérite à l'Université d'Insubria, en Italie.
« Ce qui a commencé comme un modèle pour les systèmes passifs a évolué en un cadre unifié pour les peignes de fréquence de soliton dans toutes sortes de cavités. Ce chemin nous a amenés à prédire les solitons dans les lasers de cascade quantique optiquement motivés au-dessus du seuil – maintenant confirmé par cette expérience. »
Le nouveau laser infrarouge moyen peut maintenir de manière fiable la génération d'impulsions pendant des heures à la fois. Surtout, il peut également être produit en masse à l'aide de processus de fabrication industrielle existants, ce qui pourrait considérablement augmenter la vitesse de son adoption généralisée.
L'appareil est fait d'un résonateur à anneau qui peut être entraîné à l'extérieur; un laser sur puce qui entraîne le résonateur d'anneau; et un deuxième résonateur à anneau actif qui agit comme un filtre. Les jetons ont été fabriqués à Tu Wien.
« Cette technologie promet de changer la donne dans le domaine de la spectroscopie infrarouge moyenne », a déclaré le co-auteur du journal Timothy Day, vice-président principal et directeur général de l'unité commerciale de Léonardo Drslight Solutions.
« La capacité à tirer parti des processus de fabrication existants pour produire ces appareils en volumes commerciaux pourrait vraiment permettre la prochaine étape sur plusieurs marchés, notamment la surveillance environnementale, le contrôle des processus industriels, la recherche en sciences de la vie et les diagnostics médicaux. »
