Le NIST développe des lasers miniatures avec plus de 150 longueurs d’onde distinctes

Les lasers miniatures comblent désormais une lacune importante dans le spectre de la lumière visible, ouvrant la voie à de nouvelles applications dans des domaines variés tels que les communications sous-marines et l’informatique quantique.

Les scientifiques ont longtemps été capables de fabriquer de petits lasers rouges et bleus de haute qualité. Cependant, la production de lasers miniatures émettant des longueurs d’onde jaunes et vertes s’est avérée plus complexe. Cette absence de lasers stables et miniaturisés dans cette région du spectre de la lumière visible est connue sous le nom de «lacune verte».

Les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont réussi à combler cette lacune en modifiant un composant optique minuscule : un microrésonateur en forme d’anneau, suffisamment petit pour être intégré sur une puce.

Une source miniature de lumière laser verte pourrait améliorer les communications sous-marines, car l’eau est presque transparente aux longueurs d’onde bleu-vert dans la plupart des environnements aquatiques. D’autres applications potentielles incluent les écrans de projection laser en couleur et le traitement de certaines conditions médicales, comme la rétinopathie diabétique.

Les lasers compacts dans cette gamme de longueurs d’onde sont également importants pour les applications en informatique et communication quantiques. Ils pourraient potentiellement stocker des données dans des qubits, l’unité fondamentale de l’information quantique. Actuellement, ces applications quantiques dépendent de lasers plus volumineux, ce qui limite leur déploiement hors du laboratoire.

Pendant plusieurs années, une équipe dirigée par Kartik Srinivasan du NIST et du Joint Quantum Institute (JQI) a utilisé des microrésonateurs composés de nitrure de silicium pour convertir la lumière laser infrarouge en d’autres couleurs. Lorsque la lumière infrarouge est pompée dans le résonateur en forme d’anneau, elle circule des milliers de fois jusqu’à atteindre des intensités suffisamment élevées pour interagir fortement avec le nitrure de silicium. Cette interaction, connue sous le nom d’oscillation paramétrique optique (OPO), produit deux nouvelles longueurs d’onde de lumière, appelées l’idler et le signal.

Dans des études précédentes, les chercheurs ont généré quelques couleurs individuelles de lumière laser visible. Cependant, l’équipe ne pouvait pas générer toute la gamme de couleurs jaunes et vertes nécessaires pour combler la lacune verte.

Pour combler la lacune, l’équipe a modifié le microrésonateur de deux manières. Premièrement, les scientifiques l’ont légèrement épaissi. En changeant ses dimensions, les chercheurs ont plus facilement généré de la lumière qui pénétrait plus profondément dans la lacune verte, jusqu’à des longueurs d’onde aussi courtes que 532 nanomètres (milliardièmes de mètre).

De plus, l’équipe a exposé le microrésonateur à plus d’air en gravant une partie de la couche de dioxyde de silicium en dessous. Cela a eu pour effet de rendre les couleurs de sortie moins sensibles aux dimensions du micro-anneau et à la longueur d’onde de la pompe infrarouge.

Yi Sun, scientifique du NIST et collaborateur de la nouvelle étude, a déclaré : Nous ne voulions pas seulement être bons pour atteindre quelques longueurs d’onde. Nous voulions accéder à toute la gamme de longueurs d’onde dans la lacune.

Grâce à ces modifications, les chercheurs ont pu créer plus de 150 longueurs d’onde distinctes à travers la lacune verte et les affiner. Kartik Srinivasan a ajouté : Auparavant, nous pouvions faire de grands changements – du rouge à l’orange au jaune au vert – dans les couleurs laser que nous pouvions générer avec l’OPO, mais il était difficile de faire de petits ajustements au sein de chacune de ces bandes de couleurs.

Les scientifiques travaillent maintenant à augmenter l’efficacité énergétique avec laquelle ils produisent les couleurs laser de la lacune verte. Actuellement, la puissance de sortie ne représente que quelques pourcents de celle du laser d’entrée. Un meilleur couplage entre le laser d’entrée et le guide d’onde qui canalise la lumière dans le microrésonateur, ainsi que de meilleures méthodes d’extraction de la lumière générée, pourraient améliorer significativement l’efficacité.

Légende illustration : Série de couleurs de lumière visible générée par un résonateur à microring. Crédit : S. Kelley/NIST

Article : ‘Advancing on-chip Kerr optical parametric oscillation towards coherent applications covering the green gap’ / ( 10.1038/s41377-024-01534-x ) – National Institute of Standards and Technology (NIST) – Publication dans la revue Light Science & Applications