Un amplificateur optique économe en énergie, de la taille d’une puce, peut intensifier la lumière 100 fois.

La lumière effectue beaucoup de travail dans le monde moderne, permettant toutes sortes de technologies de l’information, des téléviseurs aux satellites en passant par les câbles à fibres optiques qui transportent Internet à travers les océans. Des physiciens de Stanford ont récemment trouvé un moyen de rendre cette lumière encore plus efficace avec un amplificateur optique qui nécessite de faibles quantités d’énergie sans aucune perte de bande passante, le tout sur un dispositif de la taille d’un bout de doigt.

Similaires aux amplificateurs de son, les amplificateurs optiques capturent un signal lumineux et l’intensifient. Les actuels petits amplificateurs optiques nécessitent beaucoup de puissance pour fonctionner. Le nouvel amplificateur optique, détaillé dans la revue Nature, résout ce problème en utilisant une méthode qui recycle essentiellement l’énergie utilisée pour l’alimenter.

« Nous avons démontré, pour la première fois, un amplificateur optique vraiment polyvalent et à faible puissance, qui peut fonctionner sur l’ensemble du spectre optique et qui est suffisamment efficace pour être intégré sur une puce », explique Amir Safavi-Naeini, auteur principal de l’étude et professeur associé de physique à la École des sciences humaines de Stanford. « Cela signifie que nous pouvons désormais construire des systèmes optiques bien plus complexes qu’auparavant. »

Le dispositif développé à Stanford atteint environ 100 fois l’amplification, ou intensifie le signal lumineux, tout en n’utilisant que quelques centaines de milliwatts de puissance – une fraction de ce qui est généralement requis pour les amplificateurs optiques existants de taille similaire. Cette efficacité, couplée à sa petite taille, signifie que l’amplificateur pourrait être alimenté par une batterie et utilisé dans des ordinateurs portables et des smartphones.

Moins de puissance et moins de bruit

Tout comme les amplificateurs de son, les amplificateurs optiques ont tendance à ajouter un bruit indésirable lorsqu’ils amplifient un signal. Les chercheurs ont démontré que cet amplificateur ajoute le moins de bruit possible. Il possède également une bande passante plus large que les amplificateurs actuels, ce qui signifie qu’il prend en charge un plus grand spectre optique. Ensemble, cela indique qu’il a une plus grande capacité de transport de données avec moins d’interférences.

Ce type d’amplificateur optique est alimenté par l’énergie stockée dans un faisceau lumineux agissant comme une sorte de « pompe », et ses performances dépendent de l’intensité de ce faisceau.

« En recyclant l’énergie de la pompe qui alimente cet amplificateur, nous l’avons rendu plus efficace, et cela n’affecte pas ses autres propriétés », souligne Devin Dean, co-premier auteur de l’étude et doctorant dans le laboratoire de Safavi-Naeini.

L’équipe a réussi cela en utilisant une conception résonnante, qui est déjà utilisée par les lasers comme une « astuce de recyclage de l’énergie », selon Dean. Cela implique de renvoyer la lumière sur elle-même, ce qui augmente son intensité, comme cela se produit lorsque la lumière est piégée entre deux miroirs.

Dans cet amplificateur particulier, la lumière de pompe est générée à l’intérieur d’un résonateur – elle se déplace dans une boucle circulaire comme un circuit et s’accumule à des intensités plus élevées, et peut donc mieux amplifier le faisceau souhaité. La conception fournit plus d’intensité pour moins de puissance d’entrée, la rendant plus efficace.

En raison de sa petite taille et de ses faibles besoins en énergie, l’amplificateur optique pourrait être alimenté par une batterie – et être utilisé dans un appareil aussi petit qu’un smartphone. 

« Quand vous pouvez faire cela, les possibilités sont vraiment très vastes car ils sont si petits que vous pouvez les produire en masse et les alimenter avec des batteries », affirme Dean. « Ils pourraient être utilisés potentiellement pour les communications de données, la biodétection, la création de nouvelles sources de lumière, ou une foule d’autres choses. »
 

Les coauteurs supplémentaires de Stanford incluent le co-premier auteur Taewon Park, doctorant dans le laboratoire de Safavi-Naeini ; le professeur de physique appliquée Martin Fejer ; le chercheur postdoctoral Hubert Stokowski ; et les doctorants Sam Robison, Alexander Hwang, Luke Qi et Jason Herrmann. Dean, Park, Safavi-Naeini et Stokowski sont inventeurs d’une demande de brevet couvrant des méthodes pour atteindre un avantage quantique dans les capteurs photoniques à puissance limitée.

Article : Low-power integrated optical amplification through second-harmonic resonance – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude

Source : Stanford U.