Les lasers ultrarapides émettent des impulsions ne durant que quelques centaines de femtosecondes, soit des milliardièmes de seconde. Ces éclairs de lumière alimentent des applications allant de l’usinage micromécanique de précision à la chirurgie oculaire, en passant par les peignes de fréquences optiques, la technologie primée par le prix Nobel derrière les horloges atomiques optiques les plus précises d’aujourd’hui. Pourtant, malgré plus de deux décennies d’efforts, les lasers ultrarapides sont pour la plupart restés des systèmes volumineux et coûteux confinés à des tables optiques.
Aujourd’hui, une équipe dirigée par le professeur Tobias J. Kippenberg de l’EPFL les a intégrés sur une puce photonique. Publiant dans Nature, les chercheurs rapportent le premier laser ultrarapide intégré qui rivalise avec les lasers femtosecondes de table, délivrant 1,05 nanojoules en impulsions aussi courtes que 147 femtosecondes.
Les puces photoniques guident et traitent la lumière dans des canaux microscopiques appelés guides d’ondes, gravés sur un substrat, un peu comme les micropuces électroniques acheminent l’électricité. Déjà largement utilisées dans les télécommunications, les puces photoniques ont miniaturisé des fonctions complexes qui nécessitaient auparavant des systèmes beaucoup plus volumineux.
« Depuis plus de vingt ans, un laser femtoseconde à haute énergie d’impulsion sur puce était largement considéré comme le Saint Graal de la photonique intégrée », déclare Kippenberg. « Notre résultat montre non seulement que c’est possible, mais que cela peut être réalisé avec une architecture étonnamment élégante que la communauté de la photonique intégrée avait négligée. »
Une conception négligée
L’équipe de l’EPFL s’est tournée vers une conception laser largement négligée connue sous le nom d’oscillateur de Mamyshev. Dans la cavité laser, un guide d’ondes non linéaire est placé entre deux filtres optiques qui laissent chacun passer une tranche différente du spectre des couleurs. Lorsqu’une impulsion forte traverse le guide d’ondes, elle s’élargit en une gamme de couleurs plus large, permettant à une partie de celle-ci de passer à travers les deux filtres et de continuer à circuler. La lumière faible ne s’élargit pas suffisamment et est rejetée.
« Cette conception est particulièrement attrayante car elle ne nécessite aucun composant difficile à fabriquer sur cette puce en nitrure de silicium dopé à l’erbium », explique Zheru Qiu, co-auteur principal de l’article.
Un autre avantage, explique Qiu, est que l’oscillateur de Mamyshev est bien adapté au confinement serré de la lumière dans les puces photoniques. Lorsque la lumière est comprimée dans de minuscules guides d’ondes, elle interagit fortement avec elle-même. Une trop grande partie de cette interaction non linéaire peut déstabiliser les impulsions dans les conceptions conventionnelles, mais l’architecture de Mamyshev est beaucoup moins vulnérable à ce problème.
Laser minuscule, impact considérable
Sur la puce, la cavité laser de 42 cm de long peut être repliée dans un espace de la taille d’une tête d’allumette, bien plus petite que les lasers à fibre optique. Étant donné que ces puces photoniques peuvent être fabriquées à l’échelle du substrat, un peu comme les puces informatiques, plus de 1000 cavités laser pourraient être produites à la fois, ouvrant la voie à des lasers ultrarapides beaucoup moins chers pour la détection, la spectroscopie et la métrologie.
« Avec des puissances crête de niveau kilowatt, la puce peut alimenter des applications exigeantes qui ont longtemps dépendu de gros lasers de laboratoire coûteux », explique Qiu.
Ce résultat pourrait conduire à des outils portables et abordables pour détecter les polluants, révéler des défauts cachés et effectuer des diagnostics médicaux, tout en ouvrant la voie à des horloges atomiques optiques compactes pour les futures communications et la navigation.
Référence : Zheru Qiu, Xuan Yang, Xurong Li, Jianqi Hu, Zhongshu Liu, Yichi Zhang, Xinru Ji, Jiale Sun, Grigory Lihachev, Zihan Li, Ulrich Kentsch, Tobias J. Kippenberg. High-pulse-energy integrated mode-locked laser using a Mamyshev oscillator.
Article : High-pulse-energy integrated mode-locked laser using a Mamyshev oscillator. – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude
Source : EPFL
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