Une lumière focalisée semblable à celle d’un laser couvrant une large gamme de fréquences est très recherchée pour de nombreuses études scientifiques et applications, par exemple le contrôle qualité de la fabrication de puces électroniques à semi-conducteurs. Mais la création d’une telle lumière cohérente à large bande a toujours été difficile à réaliser sans recourir à des appareils de table encombrants et gourmands en énergie.
Une équipe du Caltech dirigée par Alireza Marandi, professeur d’ingénierie électrique et de physique appliquée au Caltech, a créé un minuscule appareil capable de produire une gamme exceptionnellement large de fréquences de lumière laser avec un rendement ultra-élevé, le tout sur une micropuce. Ces travaux ont un potentiel dans des domaines allant des communications et de l’imagerie à la spectroscopie, où la lumière aiderait à détecter des atomes et des molécules dans divers contextes.
Les chercheurs décrivent le nouvel appareil nanophotonique et leur approche dans un article publié dans la revue Nature Photonics. L’auteur principal de l’article est Ryoto Sekine (doctorat en 2025), qui a réalisé ces travaux alors qu’il était étudiant diplômé dans le laboratoire de Marandi.
« Nous démontrons qu’avec un seul dispositif nanophotonique et de faibles énergies d’entrée de l’ordre du femtojoule, il est possible de couvrir une large partie du spectre électromagnétique, des longueurs d’onde visibles à l’infrarouge moyen. C’est quelque chose qui n’avait jamais été fait auparavant », déclare A. Marandi.
Le dispositif du Caltech utilise une technologie qui existe depuis 1965 : un oscillateur paramétrique optique (OPO). Un OPO est essentiellement un résonateur, un minuscule piège à lumière conçu pour capter la lumière laser entrante à une fréquence d’entrée et utiliser un cristal non linéaire spécial (ici, du niobate de lithium) qui, grâce à une ingénierie minutieuse, peut générer de la lumière à différentes fréquences.
En général, les OPO partent d’une source laser avec une gamme de fréquences étroite et génèrent des sorties à différentes fréquences, mais toujours dans une gamme étroite. Ils sont généralement utilisés comme sources de type laser avec des fréquences de sortie largement accordables ou réglables.
Un peigne de lumière
Cependant, dans le cadre de ces travaux, Marandi et ses collègues ont conçu leur OPO à l’échelle nanométrique sur une puce afin de générer ce que l’on appelle un peigne de fréquences, un spectre de lumière de type laser régulièrement espacé sur une large gamme de fréquences avec très peu d’énergie d’entrée. Le peigne de fréquences couvre une gamme spectrale étonnamment large, fournissant des lignes nettes et stables allant de la lumière visible que nous pouvons voir jusqu’aux longueurs d’onde infrarouges moyennes plus longues.
Deux scientifiques ont remporté le prix Nobel de physique 2005 pour leurs travaux sur le développement de la technique du peigne de fréquences. Contrairement aux lasers conventionnels, qui émettent une seule couleur de lumière, les peignes de fréquences agissent comme une règle pour la lumière sur une gamme de fréquences. Ces peignes ont été utilisés pour améliorer tout, de la précision des horloges atomiques et des mesures effectuées avec la lumière à la surveillance de l’environnement.
Mais, selon Marandi, « les peignes de fréquences posaient deux défis principaux : le premier est que les sources sont trop grandes, et le second est qu’il est difficile de les fabriquer dans différentes fenêtres spectrales souhaitées. Nos travaux offrent une piste pour résoudre ces deux problèmes. »
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Les principales avancées du nouveau dispositif sont ce que Marandi décrit comme l’ingénierie de la dispersion (qui consiste à modeler la façon dont les différentes longueurs d’onde de la lumière traversent le dispositif, en veillant à ce qu’elles restent ensemble plutôt que de se disperser) et une structure de résonateur soigneusement conçue. Ensemble, ces éléments permettent au dispositif d’élargir efficacement le spectre et de maintenir la cohérence tout en nécessitant un seuil extrêmement bas, c’est-à-dire l’énergie à partir de laquelle il commence à fonctionner.
Un spectre cohérent étonnamment large
M. Marandi explique que son équipe et lui-même ont été surpris par les performances du dispositif. « Nous l’avons allumé et avons augmenté la puissance, et lorsque nous avons examiné le spectre, nous avons constaté qu’il était extrêmement large. Nous avons été particulièrement surpris que ce spectre extrêmement large soit en fait cohérent. Cela allait à l’encontre des descriptions théoriques du fonctionnement des OPO », explique-t-il.
Les chercheurs sont donc retournés à leurs simulations et à la théorie pour essayer de comprendre comment cela pouvait être possible. Dans les simulations, l’augmentation de l’énergie de la lumière entrante au-dessus du seuil rendait le spectre incohérent, c’est-à-dire qu’il présentait différentes longueurs d’onde et n’était pas verrouillé en phase, ce qui signifie qu’aucun peigne de fréquences n’était généré. Mais de retour au laboratoire, le spectre était cohérent lorsqu’il fonctionnait bien au-dessus du seuil.
« Il nous a fallu environ six mois pour découvrir qu’il existe un nouveau régime de fonctionnement de l’OPO dans lequel celui-ci se situe bien au-dessus de son seuil et où la cohérence est rétablie », ajoute M. Marandi. « Comme le seuil de cet OPO est inférieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des OPO précédents, et que la dispersion et le résonateur sont conçus différemment des OPO précédents, nous avons pu observer cet élargissement spectral phénoménal, qui est beaucoup plus économe en énergie que les autres systèmes d’élargissement spectral. »
Les chercheurs affirment que ces travaux pourraient transformer la manière dont les technologies basées sur les peignes de fréquences, actuellement utilisées dans les installations de table, pourraient être intégrées dans des dispositifs photoniques. L’une des principales techniques utilisées pour fabriquer des peignes de fréquences stables nécessite d’élargir considérablement leur spectre. L’énergie requise pour un tel élargissement a été l’un des obstacles empêchant l’intégration des technologies de peignes de fréquences sur puce.
Au-delà de cela, la plupart des technologies photoniques, y compris les lasers et les détecteurs les plus perfectionnés utilisés pour mesurer les molécules, fonctionnent dans le domaine du proche infrarouge ou du visible. Les OPO qui utilisent des lasers proche infrarouge comme fréquence d’entrée et convertissent ensuite efficacement la lumière, produisant une lumière cohérente dans le domaine de l’infrarouge moyen, pourraient permettre aux chercheurs, par exemple ceux qui travaillent dans le domaine de la spectroscopie, d’accéder à une multitude d’informations à des fréquences plus basses. En même temps, un tel dispositif pourrait permettre d’accéder à la gamme de fréquences plus élevées pour la spectroscopie atomique.
L’article est intitulé « Multi-Octave Frequency Comb from an Ultra-Low-Threshold Nanophotonic Parametric Oscillator » (Combinaison de fréquences à plusieurs octaves à partir d’un oscillateur paramétrique nanophotonique à très faible seuil). Les autres auteurs sont les anciens étudiants diplômés de Caltech Robert M. Gray (PhD ’25) et Luis Ledezma (PhD ’23), ainsi que l’actuelle étudiante diplômée de Caltech Selina Zhou et l’ancien chercheur postdoctoral Qiushi Guo. La nanofabrication du dispositif a été réalisée au Kavli Nanoscience Institute de Caltech. Les travaux ont été financés par l’Army Research Office, la National Science Foundation, l’Air Force Office of Scientific Research, la DARPA, le Center for Sensing to Intelligence de Caltech et le JPL, qui est géré par Caltech pour le compte de la NASA.
Source : Caltech
