Laser à erbium sur puce : une puissance de sortie dépassant 10 mW

Les scientifiques de l’EPFL en Suisse ont franchi une étape significative en miniaturisant un puissant laser à base d’erbium sur une puce photonique en nitrure de silicium. Cette innovation pourrait transformer les technologies de communication optique et de détection.

Les lasers ont transformé le monde depuis les années 60 et sont désormais indispensables dans des applications modernes, allant de la chirurgie de pointe à la fabrication précise, en passant par la transmission de données via des fibres optiques.

Avec l’augmentation des applications basées sur les lasers, les défis se multiplient. Par exemple, le marché des lasers à fibre, utilisés dans la découpe industrielle, le soudage et le marquage, est en pleine expansion.

Les lasers à fibre utilisent une fibre optique dopée avec des éléments de terres rares (erbium, ytterbium, néodyme, etc.) comme source de gain optique. Ils émettent des faisceaux de haute qualité, ont une puissance de sortie élevée, sont efficaces, nécessitent peu d’entretien, sont durables et généralement plus petits que les lasers à gaz. Les lasers à fibre sont également la référence en matière de faible bruit de phase, ce qui signifie que leurs faisceaux restent stables dans le temps.

Défis de la miniaturisation

Malgré leurs avantages, la demande pour miniaturiser les lasers à fibre à l’échelle des puces est croissante. Les lasers à fibre à base d’erbium sont particulièrement intéressants car ils répondent à toutes les exigences de cohérence et de stabilité élevées des lasers. Cependant, leur miniaturisation pose des défis pour maintenir leurs performances à petite échelle.

Les scientifiques dirigés par le Dr Yang Liu et le Professeur Tobias Kippenberg à l’EPFL ont construit le premier laser à guide d’ondes dopé à l’erbium intégré sur puce, approchant les performances des lasers à fibre, tout en combinant une large tunabilité de longueur d’onde avec la praticité de l’intégration photonique à l’échelle des puces. Cette réalisation est publiée dans Nature Photonics.

Construction d’un laser à l’échelle des puces

Les chercheurs ont développé leur laser à erbium à l’échelle des puces en utilisant un processus de fabrication de pointe. Ils ont commencé par construire une cavité optique de plusieurs mètres de long sur puce, basée sur un circuit intégré photonique en nitrure de silicium à très faible perte.

«Nous avons pu concevoir la cavité laser pour qu’elle soit de l’ordre du mètre en longueur malgré la taille compacte de la puce, grâce à l’intégration de ces résonateurs en microrésonateurs qui prolongent efficacement le chemin optique sans agrandir physiquement le dispositif,» explique le Dr Liu.

L’équipe a ensuite implanté le circuit avec des ions d’erbium à haute concentration pour créer sélectivement le milieu de gain actif nécessaire à la génération du laser. Enfin, ils ont intégré le circuit avec un laser de pompe à semi-conducteur III-V pour exciter les ions d’erbium, leur permettant d’émettre de la lumière et de produire le faisceau laser.

Précision et stabilité

Pour affiner les performances du laser et obtenir un contrôle précis de la longueur d’onde, les chercheurs ont conçu une architecture intra-cavité innovante avec des filtres Vernier basés sur des microrésonateurs, un type de filtre optique capable de sélectionner des fréquences spécifiques de lumière.

Les filtres permettent une tunabilité dynamique de la longueur d’onde du laser sur une large gamme, le rendant polyvalent et utilisable dans diverses applications. Cette conception supporte une émission laser en mode unique stable avec une largeur de raie intrinsèque impressionnante de seulement 50 Hz.

Elle permet également une suppression significative des modes latéraux – la capacité du laser à émettre de la lumière à une fréquence unique et constante tout en minimisant l’intensité des autres fréquences («modes latéraux»). Cela assure une sortie « propre » et stable sur le spectre lumineux pour des applications de haute précision.

Puissance, précision, stabilité et faible bruit

Le laser à fibre à base d’erbium à l’échelle des puces présente une puissance de sortie dépassant 10 mW et un rapport de suppression des modes latéraux supérieur à 70 dB, surpassant de nombreux systèmes conventionnels.

Il possède également une largeur de raie très étroite, ce qui signifie que la lumière qu’il émet est très pure et stable, ce qui est important pour des applications cohérentes telles que la détection, les gyroscopes, le LiDAR et la métrologie de fréquence optique.

Le filtre Vernier basé sur des microrésonateurs offre une large tunabilité de longueur d’onde sur 40 nm dans les bandes C et L (plages de longueurs d’onde utilisées dans les télécommunications), surpassant les lasers à fibre traditionnels en termes de réglage et de faible bruit spectral, tout en restant compatible avec les processus de fabrication de semi-conducteurs actuels.

Lasers de nouvelle génération

Miniaturiser et intégrer les lasers à fibre à base d’erbium dans des dispositifs à l’échelle des puces peut réduire leurs coûts globaux, les rendant accessibles pour des systèmes portables et hautement intégrés dans les télécommunications, les diagnostics médicaux et l’électronique grand public.

Cette avancée peut également réduire la taille des technologies optiques dans diverses autres applications, telles que le LiDAR, la photonique micro-ondes, la synthèse de fréquence optique et les communications en espace libre.

«Les domaines d’application d’une nouvelle classe de lasers intégrés dopés à l’erbium sont pratiquement illimités,» conclut le Dr Liu.

Légende illustration : Un laser à erbium hybride intégré entièrement conditionné, basé sur un circuit photonique intégré en nitrure de silicium. Crédit : Andrea Bancora & Yang Liu (EPFL)

Yang Liu, Zheru Qiu, Xinru Ji, Andrea Bancora, Grigory Lihachev, Johann Riemensberger, Rui Ning Wang, Andrey Voloshin, Tobias J. Kippenberg. A fully hybrid integrated Erbium-based laser. Nature Photonics 10 June 2024. DOI: 10.1038/s41566-024-01454-7