Des ingénieurs de Stanford et leurs collègues ont conçu une puce capable de recevoir un mélange confus de lumière provenant de plusieurs lasers et de restituer des faisceaux de lumière propres.
C’est la première fois que des chercheurs démontrent un dispositif capable de recevoir de la lumière mélangée, ou partiellement cohérente, et de trier ses photons en un ensemble clair de faisceaux séparés. Cette découverte, publiée le 30 octobre dans Nature Photonics, donne un fondement à une physique longtemps théorisée tout en ouvrant une manière unique d’observer le monde qui nous entoure, avec des applications potentielles en microscopie, en astronomie et dans bien d’autres domaines.
« Nous démontrons expérimentalement, pour la première fois, des choses dont l’idée a été conçue à l’origine dans les années 1980 », a déclaré la co-première auteure Annie Kroo, doctorante en génie électrique. « Ce travail a des répercussions considérables sur toute une série d’applications différentes, car il nous permet de penser les choses d’une manière totalement nouvelle. »
Des photons dansants
Une ampoule est une source de lumière incohérente et un laser une source cohérente, a expliqué Kroo. Dirigez un laser à travers un maillage et la lumière sur la surface opposée forme un motif tacheté. Tenez une ampoule devant le même maillage et une grille plus douce, plus diffuse, apparaît. Les photons du laser oscillent tous ensemble, a expliqué Kroo, ce qui donne des formes plus nettes sur le mur, car dans certaines zones la lumière s’additionne et dans d’autres elle s’annule elle-même. Les photons de l’ampoule, en revanche, se déplacent de façon désynchronisée, ce qui produit un motif flou.
Les chercheurs veulent démêler les différents rythmes contenus dans une lumière de type ampoule afin de permettre de nouveaux types de communication, de calcul et de détection. « Nous voyons une nouvelle opportunité en optique : exploiter la véritable nature de la lumière, qui est partiellement cohérente, et l’utiliser pour diverses applications », a déclaré le coauteur Charles Roques-Carmes, professeur adjoint à l’Institute of Science and Technology Austria et ancien Stanford Science Fellow. « Pour ce faire, il faut la décomposer en paquets de lumière mutuellement incohérents, ou statistiquement non corrélés. »
Pour tester cette possibilité, l’équipe a utilisé une puce photonique de la taille d’un ongle. Les puces photoniques canalisent les photons pour le traitement des données, de la même manière que les microprocesseurs des ordinateurs portables et des téléphones portables utilisent des électrons. Bien que ces puces à base de lumière soient devenues plus petites et plus puissantes ces dernières années, maîtriser les particules à l’intérieur reste un défi. « On peut réaliser une meilleure optique en les plaçant sur une puce, tout comme on peut réaliser une meilleure électronique en les plaçant sur une puce », a déclaré le coauteur Olav Solgaard, titulaire de la chaire Audrey S. Hancock de génie à Stanford.
Mélanger et assortir la lumière
Dans leur expérience, les chercheurs ont dirigé deux lasers infrarouges vers la puce, mélangeant ainsi les sources lumineuses. La lumière combinée était partiellement cohérente, c’est-à-dire que les oscillations des photons se sont alignées pendant une courte période avant de finir par se désynchroniser. À l’intérieur, les algorithmes et les architectures de la puce ont automatiquement trié la lumière en fonction de ses sources.
La puce a ensuite produit les faisceaux lumineux séparés. Les chercheurs ont dirigé ces faisceaux à travers un dispositif qui les mélangeait pour voir s’ils s’additionneraient en intensité, mais les deux faisceaux ne se sont pas synchronisés, démontrant qu’il s’agissait de faisceaux de lumière indépendants et mutuellement complètement incohérents. Encouragée, l’équipe a ajouté un troisième laser à l’entrée. Même alors, la puce a été capable de trier le mélange en faisceaux purs. « Si vous regardez les sorties, elles sont complètement désynchronisées ; il n’y a absolument plus aucune corrélation », a déclaré le co-premier auteur Paul-Alexis Mor, visiteur académique à l’Institute of Science and Technology Austria et étudiant en ingénierie au Corps des Mines, en France.
Les algorithmes à l’intérieur de la puce ont déterminé les signatures uniques au sein de la lumière partiellement cohérente, lui permettant de trier les composantes cohérentes, a déclaré le coauteur David Miller, professeur émérite W. M. Keck de génie électrique à Stanford.
« Notre puce apprend les modes de cohérence sous-jacents d’un champ de lumière inconnu et les dirige physiquement vers des sorties séparées », a déclaré le coauteur Shanhui Fan, titulaire de la chaire Joseph and Hon Mai Goodman à Stanford. « Cela nous donne un moyen d’analyser la cohérence spatiale de la lumière tout en gardant la lumière séparée disponible pour un traitement ultérieur. »
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Séparer la lumière mélangée en ses ingrédients cohérents pourrait permettre aux chercheurs d’extraire davantage d’informations de la lumière que même les caméras les plus sophistiquées. Lorsqu’elles sont restituées dans l’image bidimensionnelle d’une caméra, les sources lumineuses qui se chevauchent ont tendance à être regroupées.
« Dans une caméra, nous jetons l’information de profondeur », a déclaré Miller. « En effectuant cette séparation de la lumière, nous savons tout ce qui est connaissable à son sujet. Nous pouvons obtenir toute l’information de profondeur qui existe. »
Par exemple, sous un microscope, si deux particules fluorescentes se chevauchent, elles peuvent apparaître comme une seule en imagerie traditionnelle. Mais cette méthode fondée sur une puce photonique pourrait, en principe, distinguer la lumière provenant des différentes sources. « Bien qu’elles se chevauchent spatialement, l’information contenue dans la lumière indique qu’il existe différentes sources de lumière », a déclaré Kroo.
Miller, Solgaard et Kroo collaborent désormais avec la NASA pour déterminer si la nouvelle technologie pourrait sonder la lumière de galaxies lointaines. La lumière qui apparaît comme une unique tache dans un télescope pourrait en réalité contenir des composantes distinctes émises par des étoiles et des exoplanètes séparées, par exemple.
« Une grande partie de l’information dans notre monde se présente sous forme de lumière », a déclaré Kroo. « La lumière est un magnifique support pour mesurer les choses dans l’environnement. »
Article : Automatic on-chip separation of partially coherent light into its mutually incoherent components – Journal : Nature Photonics – DOI : Lien vers l’étude
Source : Stanford U
Information complémentaire :🌐 Traduction Enerzine🔬 Etude scientifique
