Une équipe de Harvard et de l’Université technique de Vienne (TU Wien) a inventé un nouveau laser accordable qui utilise une série d’anneaux pour émettre en douceur de nombreuses longueurs d’onde lumineuses à partir d’une seule puce.
Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et de l’Université technique de Vienne (TU Wien, Vienne, Autriche) ont inventé un nouveau type de laser à semi-conducteur accordable qui combine les meilleures caractéristiques des produits laser les plus avancés à l’heure actuelle, offrant un accord de longueur d’onde fluide, fiable et à large gamme dans un design simple, de la taille d’une puce.
Les lasers accordables, ou lasers dont les longueurs d’onde de sortie peuvent être modifiées et contrôlées, font partie intégrante de nombreuses technologies, des télécommunications à haut débit aux diagnostics médicaux en passant par les inspections de sécurité des gazoducs. Cependant, la technologie laser doit faire face à de nombreux compromis. Par exemple, les lasers qui émettent sur une large gamme de longueurs d’onde, ou de couleurs, sacrifient la précision de chaque couleur. Mais les lasers qui peuvent s’accorder précisément sur de nombreuses couleurs deviennent complexes et coûteux, car ils nécessitent des pièces mobiles.
Le nouveau dispositif pourrait un jour remplacer de nombreux types de lasers accordables dans un boîtier plus petit et plus économique.
La recherche est publiée dans Optica et a été codirigée par Federico Capasso, professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à la SEAS, et le professeur Benedikt Schwarz de la TU Wien (Université technique de Vienne). Les deux groupes entretiennent un partenariat de recherche de longue date.
Les chercheurs ont d’abord démontré un laser qui émet de la lumière dans la gamme de longueurs d’onde infrarouge moyen, car c’est là que les lasers à cascade quantique, sur lesquels repose leur architecture, émettent généralement. « La polyvalence de cette nouvelle plateforme signifie que des lasers similaires peuvent être fabriqués à des longueurs d’onde plus pertinentes sur le plan commercial, par exemple pour des applications de télécommunications, pour des diagnostics médicaux ou pour tout laser émettant dans le spectre visible de la lumière », a déclaré M. Capasso, qui a co-inventé le laser à cascade quantique en 1994.
Le nouveau laser se compose de plusieurs petits lasers en forme d’anneau, chacun de taille légèrement différente, tous connectés au même guide d’ondes. Chaque anneau émet une lumière d’une longueur d’onde différente, et en ajustant le courant électrique, le laser peut passer en douceur d’une longueur d’onde à l’autre. La conception intelligente et compacte garantit que le laser n’émet qu’une seule longueur d’onde à la fois, reste stable même dans des environnements difficiles et peut être facilement mis à l’échelle. Les anneaux fonctionnent soit un à la fois, soit tous ensemble pour produire un faisceau plus puissant.
« En ajustant la taille de l’anneau, nous pouvons cibler efficacement n’importe quelle ligne et n’importe quelle fréquence laser », explique Theodore Letsou, coauteur principal, étudiant diplômé du MIT et chercheur au laboratoire de Capasso à Harvard. « Toute la lumière provenant de chaque laser est couplée par le même guide d’ondes et forme un seul et même faisceau. C’est très puissant, car nous pouvons étendre la plage de réglage des lasers à semi-conducteurs classiques et cibler des longueurs d’onde individuelles en utilisant un rayon d’anneau différent. »
« Ce qui est vraiment intéressant avec notre laser, c’est la simplicité de sa fabrication », ajoute Johannes Fuchsberger, coauteur principal et étudiant diplômé à l’Université technique de Vienne, où l’équipe a fabriqué les dispositifs en utilisant les installations de salle blanche mises à disposition en permanence par le Centre pour les micro et nanostructures de l’université. « Nous n’avons aucune pièce mécanique mobile et notre procédé de fabrication simple permet d’obtenir un encombrement réduit. »
L’architecture unique du laser permet également d’éviter les problèmes courants tels que la rétroaction optique, qui se produit lorsque la lumière laser est réfléchie vers la source et peut provoquer une déstabilisation. Comme les anneaux du nouveau laser émettent de manière unidirectionnelle, soit dans le sens horaire, soit dans le sens antihoraire, il n’y a aucun risque de réflexion arrière.
Le nouveau laser à anneau pourrait remplacer les technologies actuelles pour différents types de lasers à semi-conducteurs accordables, qui présentent chacun des avantages et des inconvénients selon l’application. Par exemple, les lasers à rétroaction distribuée produisent des faisceaux réguliers et précis et sont donc utilisés dans les fibres de télécommunication pour envoyer des signaux optiques sur de longues distances, mais leur plage d’accord est étroite. Les lasers à cavité externe, en revanche, ont des plages de réglage plus larges, mais leur conception et leurs pièces mobiles sont plus complexes, ce qui fait que leurs lignes laser ont tendance à sauter. Ils sont couramment utilisés dans les capteurs de gaz qui détectent les fuites dans les pipelines, car ils peuvent détecter des gaz comme le méthane et le dioxyde de carbone qui absorbent la lumière à des longueurs d’onde distinctes.
J. Fuchsberger et al., Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers, Optica 12,7, 985 (2025). DOI : 10.1364/OPTICA.559884
Crédit : TU Wien
