La promesse des lasers sur puce 100 fois plus rapides

Les lasers, bien que couramment utilisés dans la vie quotidienne, possèdent de nombreuses applications allant bien au-delà des spectacles lumineux et de la lecture de codes-barres. Ils jouent un rôle crucial dans les télécommunications, l’informatique, ainsi que dans la recherche en biologie, chimie et physique. Dans ces derniers domaines, les lasers capables d’émettre des impulsions extrêmement courtes, de l’ordre du billionième de seconde (une picoseconde) ou moins, sont particulièrement utiles.

Grâce à ces lasers opérant à de telles échelles de temps, les chercheurs peuvent étudier des phénomènes physiques et chimiques qui se produisent extrêmement rapidement.

Par exemple, la création ou la rupture de liaisons moléculaires lors d’une réaction chimique, ou le mouvement des électrons à l’intérieur des matériaux. Ces impulsions ultra-courtes sont également largement utilisées pour les applications d’imagerie car elles peuvent avoir des intensités de crête extrêmement élevées mais une faible puissance moyenne, évitant ainsi de chauffer ou même de brûler des échantillons tels que les tissus biologiques.

Une nouvelle méthode pour créer des lasers ultra-rapides

Dans un article paru dans la revue Science, Alireza Marandi, professeur assistant en génie électrique et physique appliquée à Caltech, décrit une nouvelle méthode développée par son laboratoire pour fabriquer ce type de laser, connu sous le nom de laser à verrouillage de mode, sur une puce photonique.

Les lasers sont fabriqués à l’aide de composants à l’échelle nanométrique (un nanomètre est un milliardième de mètre), permettant de les intégrer dans des circuits à base de lumière similaires aux circuits intégrés à base d’électricité que l’on trouve dans l’électronique moderne.

Des lasers ultra-rapides pour la recherche

Les lasers ultra-rapides de ce type sont si importants pour la recherche que le prix Nobel de physique de cette année a été attribué à un trio de scientifiques pour le développement de lasers produisant des impulsions attosecondes (une attoseconde est un quintillionième de seconde).

Ces lasers en revanche sont actuellement extrêmement coûteux et encombrants, note Alireza Marandi, qui explore des méthodes pour atteindre de telles échelles de temps sur des puces qui peuvent être des ordres de grandeur moins chères et plus petites, dans le but de développer des technologies photoniques ultra-rapides abordables et déployables.

En synthèse

Les lasers ultra-rapides sont essentiels pour la recherche et l’industrie, mais leur coût et leur taille restent des obstacles majeurs. Les travaux du professeur Marandi et de son équipe visent à surmonter ces défis en développant des lasers à verrouillage de mode sur des puces photoniques, rendant ces technologies plus accessibles et plus abordables. Leur recherche pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications dans divers domaines, de la recherche fondamentale à l’industrie.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un laser ultra-rapide ?

Un laser ultra-rapide est un type de laser capable d’émettre des impulsions extrêmement courtes, de l’ordre du billionième de seconde (une picoseconde) ou moins. Ces lasers sont particulièrement utiles dans la recherche en biologie, chimie et physique, où ils permettent d’étudier des phénomènes qui se produisent très rapidement.

Pourquoi les lasers ultra-rapides sont-ils importants pour la recherche ?

Les lasers ultra-rapides permettent aux chercheurs d’étudier des phénomènes physiques et chimiques qui se produisent extrêmement rapidement, comme la création ou la rupture de liaisons moléculaires lors d’une réaction chimique, ou le mouvement des électrons à l’intérieur des matériaux. Ils sont également largement utilisés pour les applications d’imagerie, car ils peuvent avoir des intensités de crête extrêmement élevées mais une faible puissance moyenne, évitant ainsi de chauffer ou même de brûler des échantillons tels que les tissus biologiques.

Qu’est-ce qu’un laser à verrouillage de mode ?

Un laser à verrouillage de mode est un type de laser ultra-rapide qui peut être fabriqué sur une puce photonique. Ces lasers sont fabriqués à l’aide de composants à l’échelle nanométrique, ce qui permet de les intégrer dans des circuits à base de lumière similaires aux circuits intégrés à base d’électricité que l’on trouve dans l’électronique moderne.

Quels sont les avantages des lasers ultra-rapides sur puce ?

Les lasers ultra-rapides sur puce peuvent être des ordres de grandeur moins chers et plus petits que les lasers ultra-rapides traditionnels, ce qui les rend plus accessibles pour la recherche et l’industrie. De plus, ils peuvent être combinés avec d’autres composants pour construire un système photonique ultra-rapide complet sur un circuit intégré.

Quels sont les objectifs futurs pour les lasers ultra-rapides sur puce ?

Les chercheurs visent à améliorer cette technologie pour qu’elle puisse fonctionner à des échelles de temps encore plus courtes et à des puissances de crête plus élevées. L’objectif est d’atteindre 50 femtosecondes (une femtoseconde est un quadrillionième de seconde), ce qui serait une amélioration de 100 fois par rapport aux dispositifs actuels qui génèrent des impulsions de 4,8 picosecondes.

Principaux enseignements

Références

Marandi, A., Guo, Q., et al. (2023). Mode-locked lasers on a photonic chip. Science.

Article : « Ultrafast mode-locked laser in nanophotonic lithium niobite » and appears in the November 9 issue of Science. Co-authors are Benjamin K. Gutierrez (MS ’23), graduate student in applied physics; electrical engineering graduate students Ryoto Sekine (MS ’22), Robert M. Gray (MS ’22), James A. Williams, Selina Zhou (BS ’22), and Mingchen Liu; Luis Ledezma (PhD ’23), an external affiliate in electrical engineering; Luis Costa, formerly at Caltech and now with JPL, which Caltech manages for NASA; and Arkadev Roy (MS ’23, PhD ’23), formerly of Caltech and now with UC Berkeley .