Des chercheurs de Sydney maîtrisent la lumière « bruyante » dans des lasers miniatures

Des chercheurs de l’Université de Sydney ont résolu un problème de longue date dans les lasers à l’échelle des micropuces en gravant de « minuscules ralentisseurs » dans la cavité optique des dispositifs, dans leur quête pour produire une lumière exceptionnellement « propre ». Cette lumière au spectre extrêmement étroit pourrait être utilisée dans les futurs ordinateurs quantiques, les systèmes de navigation avancés, les réseaux de communications ultra-rapides et les capteurs de précision.

Dans une nouvelle étude, l’équipe montre comment éliminer une source critique de bruit dans les lasers Brillouin, une classe spéciale de source lumineuse connue pour sa pureté extraordinaire, produisant un spectre ultracourt qui est presque une longueur d’onde (ou couleur) de lumière parfaite.

La lumière produite par des sources comme une ampoule a un large spectre de longueurs d’onde et convient à un usage quotidien, mais elle est trop « bruyante » pour des applications scientifiques de précision, où des lasers sont nécessaires.

Les lasers Brillouin génèrent une lumière si pure qu’ils peuvent être utilisés dans les horloges atomiques optiques, qui ne perdent que quelques secondes sur plusieurs milliers d’années. Mais jusqu’à présent, leur potentiel était limité par un phénomène appelé cascade Brillouin, dans lequel des « modes parasites » de lumière apparaissent et dégradent les performances.

« Les lasers Brillouin sont parmi les sources de lumière les plus cohérentes, et on peut les fabriquer à l’échelle d’une puce, explique Ryan Russell, auteur principal et doctorant au Institut Nano de l’Université de Sydney et à l’École de Physique.

« Mais dès que l’on essaie d’augmenter leur puissance de sortie, ils ont tendance à se scinder en plusieurs modes parasites. Ces modes supplémentaires ajoutent du bruit et volent de l’énergie au mode fondamental, celui que l’on souhaite utiliser. Pour de nombreuses applications réelles, c’est un vrai problème. »

Un ralentisseur pour un laser

Pour résoudre le problème, l’équipe de Sydney s’est tournée vers « l’ingénierie de bande interdite photonique ». En gravant des motifs à l’échelle nanométrique – plus de 100 fois plus petits qu’un cheveu humain – directement à l’intérieur de la cavité optique du laser, les chercheurs ont créé une « zone morte » précise qui bloque la formation des modes parasites à leur origine, sans entraver le mode primaire.

Ces structures sont appelées « réseaux de Bragg », du nom de William et Lawrence Bragg, une équipe scientifique australienne père et fils qui ont remporté ensemble le prix Nobel de physique en 1915.

« Imaginez cela comme graver de minuscules ralentisseurs sur la piste de course de la lumière, empêchant la formation des sous-produits bruyants, précise le co-auteur Dr Moritz Merklein, également à Sydney Nano et chercheur au Centre d’Excellence ARC en micro-peignes optiques pour la science de rupture (COMBS).

« En termes simples, nous avons appris à maîtriser la cascade avant même qu’elle ne commence, ajoute le Dr Merklein. « La bande interdite photonique supprime la densité d’états sur laquelle ces modes parasites s’appuient pour fonctionner. Sans états disponibles, les processus parasites ne peuvent tout simplement pas se produire. C’est comme essayer de crier dans le vide de l’espace – le son n’a nulle part où aller. »

Les résultats sont frappants. Lorsque le réseau de Bragg induit la zone morte, l’équipe a observé une multiplication par six du seuil minimum pour l’émission laser Brillouin. C’est l’énergie minimale requise pour exciter l’émission laser. Avec la cascade inhibée, les chercheurs ont mesuré une augmentation de 2,5 fois de la puissance laser fondamentale, démontrant directement comment la méthode peut libérer de meilleures performances.

Pas besoin de refabriquer les dispositifs

Il est important de noter que les réseaux de Bragg sont reconfigurables : ils peuvent être écrits, effacés et réajustés après leur création en utilisant uniquement la lumière laser, sans avoir besoin de refabriquer le dispositif. Cela permet de programmer des lasers à l’échelle d’une puce à la demande pour un fonctionnement en « mode unique » à faible bruit ou en « mode multi » en cascade.

« Ce n’est pas seulement une solution pour les lasers Brillouin, souligne M. Russell. « C’est un cadre général pour contrôler les processus optiques sur les puces photoniques. »

Cette méthode pour contrôler la lumière circulant dans les puces photoniques devrait nous conduire à des sources plus propres de lumière quantique et de lasers à peigne de fréquence.

Ces technologies ont des applications émergentes dans les communications et les technologies de navigation avancée comme le GPS.

Le responsable du groupe de recherche à l’Université de Sydney et investigateur principal du COMBS, le professeur Ben Eggleton, déclare : « La capacité à concevoir la densité d’états à l’intérieur d’un résonateur ouvre la porte à des classes totalement nouvelles de sources lumineuses et d’autres technologies photoniques avancées. »

Le Dr Merklein affirme : « Alors que nous continuons à construire des systèmes optiques plus complexes sur des puces miniatures, disposer de ce nouveau degré de contrôle est crucial. Cela nous permet de pousser ces dispositifs dans des régimes qui étaient auparavant interdits. »

La recherche met en lumière le leadership de l’Australie en photonique intégrée et ouvre une nouvelle voie vers des lasers à l’échelle d’une puce ultra-stables, haute puissance et à faible bruit pour la prochaine génération de technologies quantiques et de communication.

Article : Brillouin laser cascade inhibition in reconfigurable Bragg grating microresonators – Journal : APL Photonics – Méthode : Experimental study – Sujet : Not applicable – DOI : Lien vers l’étude

Centre d’Excellence ARC : Le Centre d’Excellence de l’Australian Research Council en micro-peignes optiques pour la science de rupture (COMBS) utilise une technologie – appelée le peigne de fréquence optique – pour conduire des transformations sociétales dans les domaines de l’imagerie biomédicale, des communications, de la mesure de précision et de l’astronomie.