La lumière ultraviolette, au-delà de son abondance naturelle provenant du soleil, est utilisée dans d’innombrables applications modernes, de la désinfection à la fluorescence des matériaux biologiques, en passant par la photolithographie des puces informatiques. Dans un avenir proche, des points de lumière UV sur des puces photoniques devraient stimuler les progrès des ordinateurs quantiques, des horloges atomiques ultra-précises, etc.
Mais compactifier suffisamment les sources de lumière UV à ce degré n’est pas une tâche facile, car ce type de lumière a tendance à perdre rapidement de la puissance en se propageant le long des guides d’ondes optiques, entravant toute tentative sérieuse de sources lumineuses à l’échelle d’une puce à cette longueur d’onde — jusqu’à présent.
En utilisant une plateforme photonique de travail appelée niobate de lithium en couche mince, une équipe dirigée par Harvard du laboratoire de Marko Lončar, professeur Tiantsai Lin de génie électrique, a démontré un dispositif photonique à l’échelle micrométrique qui génère deux ordres de grandeur de lumière UV de plus sur une puce que les approches comparables précédentes. Les recherches, publiées dans Nature Communications, présentent le niobate de lithium comme une plateforme viable pour la génération de lumière UV compacte, à haute puissance et à faible perte pour des applications pratiques.
Le nouveau dispositif contourne la tâche difficile de fournir de la lumière UV à cette échelle en convertissant la lumière rouge en lumière UV sur la puce. Dans ce processus, appelé conversion ascendante de fréquence, deux photons rouges se combinent à l’intérieur du cristal de niobate de lithium, qui possède des capacités de conversion de fréquence extrêmement efficaces, pour créer un photon UV de plus haute énergie.
« Notre groupe est peut-être surtout connu pour utiliser le niobate de lithium pour des dispositifs photoniques fonctionnant à des longueurs d’onde plus longues, infrarouges – plus proches du domaine des signaux de télécommunications », a déclaré Lončar. Mais il s’avère que ce matériau cristallin transparent, devenu une plateforme de choix pour la photonique intégrée, peut également guider et héberger efficacement des sources lumineuses aux longueurs d’onde plus courtes, y compris les UV, a-t-il poursuivi.
« Quand les gens pensent au [niobate de lithium en couche mince], ils ne le considèrent pas comme un matériau UV, mais nous montrons qu’il l’est », a ajouté le co-premier auteur Kees Franken, ancien chercheur au laboratoire Lončar. « Nous montrons également qu’il se produit d’autres effets non linéaires que nous ne comprenons pas encore entièrement. »
Nouvelle méthode : Polissage latéral
Dans le dispositif, la lumière est guidée à travers la puce dans des guides d’ondes — des « fils » microscopiques pour la lumière gravés dans le film. Pour convertir efficacement la lumière rouge en UV, les structures de grains cristallins du niobate de lithium doivent être retournées périodiquement et uniformément espacées le long du guide d’ondes — un processus de nanofabrication spécialisé pour l’optique non linéaire appelé polissage. Obtenir ce motif exactement correct, à des échelles de longueur submicroniques sur des dispositifs de plusieurs centimètres, est ce qui a limité les tentatives précédentes.
Les approches antérieures étaient confrontées à un compromis : on pouvait polir tout le film mais perdre la capacité de compenser les imperfections de fabrication. Ou bien, on pouvait fabriquer les guides d’ondes en premier, mais au prix d’une efficacité réduite en raison de l’éloignement des électrodes et d’un polissage partiel du film.
L’équipe de Harvard a surmonté ce compromis en inventant le « polissage latéral ».
Au lieu de placer les électrodes de polissage uniquement au-dessus du film, ils ont amené des « doigts » métalliques soigneusement modelés juste à côté des parois du guide d’ondes gravé, ou de ses parois latérales. Ensuite, conformément aux techniques existantes, ils ont appliqué une petite tension pendant la fabrication pour retourner définitivement les domaines cristallins selon un motif étroitement contrôlé.
« L’idée clé était : pouvions-nous simplement placer les électrodes directement sur le guide d’ondes ? », a déclaré le co-premier auteur et ancien étudiant diplômé Soumya Ghosh. « C’est un processus de fabrication de haute précision pour positionner les électrodes, mais nécessitant une précision d’environ 50 nanomètres. »
Cette géométrie d’électrode unique a permis aux chercheurs d’inverser complètement le cristal sur toute la section transversale du guide d’ondes, de sorte que la lumière voit un matériau parfaitement retourné, et que l’efficacité de conversion est maximisée. De plus, ils ont pu ajuster précisément la période de polissage le long du dispositif, en utilisant des techniques de « polissage adapté » développées précédemment dans le laboratoire Lončar et ailleurs, pour surmonter les variations d’épaisseur du film et de forme du guide d’ondes.
Résultats : augmentation de la puissance de sortie
Dans leur article, l’équipe rapporte 4,2 milliwatts de puissance UV sur puce à une longueur d’onde de 390 nanomètres – environ 120 fois plus de puissance de sortie que les meilleures démonstrations précédentes en niobate de lithium en couche mince dans cette gamme de longueurs d’onde. Les démonstrations antérieures avec ce matériau ne produisaient que des dizaines de microwatts de puissance UV, ce qui suffisait à montrer que le concept fonctionnait, mais bien trop peu pour quelque chose de pratique.
La lumière UV de haute qualité à l’échelle d’une puce est particulièrement importante pour les technologies émergentes telles que les ordinateurs quantiques à ions piégés, où des transitions atomiques spécifiques se situent souvent dans la gamme proche UV.
« Si vous voulez un ordinateur quantique évolutif qui ne soit pas de la taille d’un camion, vous devez réduire tout à l’échelle de la puce, et cela inclut les sources lumineuses », a déclaré Franken.
Au-delà des applications quantiques et de chronométrage, la même bande de longueurs d’onde est attrayante pour les capteurs environnementaux compacts permettant une surveillance rapprochée des gaz à effet de serre ou d’autres polluants atmosphériques, ont ajouté les chercheurs.
Selon Franken et Ghosh, cette avancée a été possible parce que le groupe de Lončar intègre tous les aspects du travail, de la théorie et de la conception à la fabrication en salle blanche et aux tests optiques, sous un même toit.
« L’intuition pratique que nous avons acquise sur la façon de fabriquer un dispositif, tout en gardant une vue d’ensemble de ce à quoi ce dispositif sert et comment nous allions le caractériser – c’est une grande partie de ce qui a rendu ce projet possible pour nous », a conclu Ghosh.
Article : Milliwatt-level UV generation using sidewall poled lithium niobate – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : SEAS Harvard
