Commutation optique nanoseconde avec une gouttelette de cristal liquide

Contrôler la lumière avec la lumière est un objectif longtemps recherché pour les technologies de calcul et de communication. Atteindre cette capacité permettrait de traiter les signaux optiques sans les convertir en signaux électriques, permettant potentiellement des dispositifs plus rapides et plus écoénergétiques. Ces dernières années, les chercheurs ont commencé à explorer une plateforme inattendue à cet effet : la matière molle.

La photonique de la matière molle étudie comment les matériaux tels que les liquides, les cristaux liquides, les gels et les polymères peuvent s’auto-organiser en structures qui manipulent la lumière. Contrairement aux composants photoniques conventionnels à l’état solide, qui nécessitent une nanofabrication précise, les matériaux mous peuvent spontanément former des géométries optiques fonctionnelles. Certains matériaux mous présentent également un comportement optique non linéaire. Par exemple, via l’effet Kerr, leur indice de réfraction peut changer en réponse à une lumière intense, permettant à un faisceau d’en influencer un autre et autorisant une commutation optique ultrarapide à l’échelle de la picoseconde.

Comme rapporté dans Advanced Photonics, une équipe internationale de chercheurs a introduit une approche différente : un commutateur optique nanoseconde basé sur la déplétion par émission stimulée résonante (STED) dans une cavité de cristal liquide. Plutôt que de s’appuyer sur des changements d’indice de réfraction, cette méthode manipule l’énergie optique stockée à l’intérieur d’une structure résonante.

Les chercheurs ont créé une gouttelette de cristal liquide de taille micrométrique dopée avec un colorant fluorescent. La gouttelette agit comme une cavité résonante qui supporte des modes en galerie de chuchotement, où la lumière circule le long de son périmètre et est amplifiée. La gouttelette est placée dans l’eau, et sa surface est mise en contact avec plusieurs guides d’onde polymères effilés qui canalisent la lumière entrante et sortante de la cavité.

Lorsqu’une impulsion laser initiale est envoyée via un guide d’onde pour exciter le colorant, la gouttelette commence à émettre un laser, produisant sa propre lumière. Cependant, si une seconde impulsion de lumière, décalée vers le rouge, est envoyée via le même guide d’onde avant le début de l’émission laser, elle déclenche une émission stimulée et épuise les molécules de colorant excitées. Au lieu de produire une émission laser en mode galerie de chuchotement, l’énergie stockée est transférée pour amplifier cette seconde impulsion. En effet, le système commute la longueur d’onde qui domine la sortie, réalisant un contrôle lumière par lumière sans entrée électrique.

Une innovation clé réside dans la façon dont le guide d’onde solide se connecte à la gouttelette liquide. Dans les matériaux solides, la zone de contact entre une cavité sphérique et un guide d’onde cylindrique serait trop petite pour un transfert de lumière efficace. Cependant, parce que la gouttelette est liquide, elle change légèrement de forme lorsqu’elle touche les guides d’onde en raison de la tension superficielle et des forces interfaciales, ce qui crée une connexion optique stable et efficace. Les chercheurs notent que ce contact auto-formé serait difficile à réaliser avec des matériaux solides, soulignant clairement un avantage de la matière molle pour les interconnexions photoniques.

L’approche est également remarquablement écoénergétique. Dans les applications conventionnelles de déplétion par émission stimulée, comme la microscopie à super-résolution, l’impulsion de déplétion doit typiquement être des ordres de grandeur plus forte que l’impulsion d’excitation car elle n’interagit avec l’échantillon qu’une seule fois. En revanche, dans cette cavité résonante, la lumière de déplétion circule de multiples fois, interagissant répétitivement avec les molécules excitées. Cet effet multipasse améliore grandement l’efficacité, réduisant l’énergie de déplétion requise de plus de cent fois par rapport aux conditions non résonantes.

Au-delà de la démonstration d’une commutation tout optique en nanosecondes, la plateforme offre des avantages pratiques par rapport aux technologies photoniques traditionnelles. Les cavités sphériques peuvent se former via des processus d’auto-assemblage plus rapides, évitant les nombreuses étapes de production nécessaires pour les matériaux durs. Cela ouvre la porte à des dispositifs photoniques biocompatibles et même flexibles, où des circuits complexes peuvent potentiellement être reproduits en utilisant la lithographie par impression douce, produits à basse température et fabriqués à partir de matériaux moins toxiques.

Les chercheurs positionnent ce travail comme une étape fondamentale vers une nouvelle classe de technologies optiques molles et bio-inspirées. « Nous avons présenté un élément microphotonique en matière molle auto-assemblé, un commutateur photonique en matière molle qui utilise le concept de manipulation lumière par lumière à très faible intensité lumineuse. En tant que tel, c’est un exemple rare de dispositif photonique basé sur les propriétés d’auto-organisation de la matière molle qui pourrait être une brique de base d’une plateforme photonique molle bio-inspirée futuriste », déclare l’auteur correspondant, le professeur Igor Muševič (Université de Ljubljana et Institut Jožef Stefan, Slovénie).