Des physiciens américains ont créé un laser compact qui émet de courtes impulsions lumineuses extrêmement brillantes dans une gamme de longueurs d’onde utile mais difficile à atteindre, réunissant sur une seule puce les performances de dispositifs photoniques plus importants.
Publiée dans Nature, cette recherche est la première démonstration d’un générateur d’impulsions laser picosecondes dans l’infrarouge moyen sur puce qui ne nécessite aucun composant externe pour fonctionner. Le dispositif peut produire ce que l’on appelle un peigne de fréquence optique, un spectre de lumière composé de lignes de fréquence également espacées (comme un peigne), utilisé aujourd’hui dans les mesures de précision. La nouvelle puce laser pourrait un jour accélérer la création de capteurs de gaz très sensibles et à large spectre pour la surveillance de l’environnement, ou de nouveaux types d’outils de spectroscopie pour l’imagerie médicale.
L’auteur principal de l’article est Federico Capasso, professeur de physique appliquée Robert L. Wallace à la SEAS et chercheur principal en génie électrique Vinton Hayes. Soutenue par la National Science Foundation et le ministère de la défense, la recherche est le fruit d’une collaboration avec le groupe Schwarz de l’université technologique de Vienne (TU Wien), un consortium de scientifiques italiens dirigé par Luigi A. Lugiato et Leonardo DRS Daylight Solutions dirigé par Timothy Day.
« Il s’agit d’une nouvelle technologie passionnante qui intègre la photonique non linéaire sur puce pour générer des impulsions lumineuses ultracourtes dans l’infrarouge moyen ; rien de tel n’existait jusqu’à présent », a déclaré M. Capasso. « De plus, de tels dispositifs peuvent être facilement produits dans les fonderies industrielles de laser en utilisant la fabrication standard de semi-conducteurs. »
L’infrarouge moyen est une partie invisible du spectre électromagnétique qui est aujourd’hui exploitée dans des applications environnementales. Étant donné que de nombreuses molécules de gaz comme le dioxyde de carbone et le méthane absorbent efficacement la lumière infrarouge moyenne, cette gamme de longueurs d’onde a été un outil important pour la surveillance des gaz environnementaux, notamment avec la technologie des lasers à cascade quantique dont Capasso a été l’un des pionniers dans les années 1990.
Le nouvel article montre comment générer une source de lumière à large bande qui pourrait détecter, par exemple, de nombreuses empreintes d’absorption de gaz dans un seul appareil.
« Il s’agit d’une étape clé vers la création de ce que nous appelons une source supercontinuum, qui peut générer des milliers de fréquences de lumière différentes, le tout dans une seule puce », a ajouté Dmitry Kazakov, coauteur et associé de recherche dans le groupe de Capasso. « Je pense qu’il s’agit là d’une réelle possibilité pour l’avenir de cette plateforme. »
Le laser à cascade quantique, qui génère des faisceaux cohérents de lumière dans l’infrarouge moyen en superposant différents matériaux semi-conducteurs nanostructurés, est à la base de cette nouvelle prouesse d’ingénierie nanophotonique. Contrairement à d’autres lasers à semi-conducteurs qui s’appuient depuis des décennies sur des techniques bien établies appelées verrouillage de mode pour générer leurs impulsions, les lasers à cascade quantique restent notoirement difficiles à impulser en raison de leur dynamique intrinsèquement ultrarapide. Les générateurs d’impulsions dans l’infrarouge moyen existants, basés sur des lasers à cascade quantique, nécessitent généralement des configurations complexes pour obtenir une émission pulsée, ainsi que de nombreux composants matériels discrets. Ils sont aussi généralement limités à une certaine puissance de sortie et à une certaine largeur de bande spectrale.
Le nouveau générateur d’impulsions combine de manière transparente, en un seul dispositif, plusieurs concepts de photonique intégrée non linéaire et de lasers intégrés pour produire des types spécifiques d’impulsions lumineuses picosecondes appelées solitons. Pour concevoir l’architecture de leur puce, les chercheurs se sont inspirés d’un type de dispositif de modulation de la lumière apparemment sans rapport, appelé microrésonateur de Kerr. Leur créativité leur a permis de contourner les techniques traditionnelles, telles que le verrouillage de mode, pour la génération d’impulsions.
« Nos mesures n’étaient pas traditionnelles en ce qui concerne la recherche sur les lasers à cascade quantique », a commenté le coauteur Theodore Letsou, étudiant diplômé du MIT et chercheur dans le groupe de Capasso. « Nous avons fusionné deux types de domaines et pris ce que fait la communauté des résonateurs Kerr pour l’appliquer à nos systèmes. C’était un processus passionnant ».
« Pour moi, l’impact le plus important de notre nouveau travail – au-delà de la physique impressionnante – est la confiance qu’il nous donne dans la fabrication et l’exploitation d’architectures multicomposants, une capacité qui était restée jusqu’à présent un défi majeur dans la photonique intégrée dans l’infrarouge moyen », a dit Benedikt Schwarz, co-auteur de l’article et professeur à l’Université technique de Vienne. « Nous développons déjà de nouvelles architectures pour permettre des fonctionnalités que l’on pensait impossibles auparavant.
Les chercheurs se sont appuyés sur une théorie fondamentale publiée dans les années 1980 qui a établi un cadre pour les résonateurs passifs de Kerr. L’un des coauteurs du nouvel article est Luigi Lugiato, qui a travaillé à la réorientation de l’équation originale pour décrire la dynamique du système laser dans l’infrarouge moyen.
« Il s’agit de l’aboutissement passionnant d’un parcours qui a commencé avec l’équation de Lugiato-Lefever », a précisé Lugiato, professeur émérite à l’université d’Insubrie, en Italie. « Ce qui a commencé comme un modèle pour les systèmes passifs a évolué vers un cadre unifié pour les peignes de fréquence des solitons dans toutes sortes de cavités. Cette évolution nous a conduits à prédire des solitons dans des lasers à cascade quantique à commande optique au-dessus du seuil, ce qui est maintenant confirmé par cette expérience.
Le nouveau laser à infrarouge moyen peut maintenir de manière fiable la génération d’impulsions pendant des heures. De plus, il peut être produit en masse à l’aide des processus de fabrication industrielle existants, ce qui pourrait accélérer considérablement son adoption à grande échelle. Le dispositif est constitué d’un résonateur annulaire qui peut être commandé de l’extérieur, d’un laser sur puce qui commande le résonateur annulaire et d’un second résonateur annulaire actif qui fait office de filtre. Les puces ont été fabriquées à l’Université technique de Vienne.
« Cette technologie promet de changer la donne dans le domaine de la spectroscopie dans l’infrarouge moyen », a conclu Timothy Day, co-auteur de l’article et premier vice-président et directeur général de l’unité commerciale Daylight Solutions de Leonardo DRS. « La possibilité d’exploiter les processus de fabrication existants pour produire ces dispositifs en volumes commerciaux pourrait réellement permettre de passer à l’étape suivante dans plusieurs marchés, notamment la surveillance environnementale, le contrôle des processus industriels, la recherche en sciences de la vie et les diagnostics médicaux. »
Légende illustration : Impression d’artiste des puces laser à infrarouge moyen avec les chemins lumineux reliant les composants. Crédit : Runke Luo
Article : « Driven bright solitons on a mid-infrared laser chip » – DOI : 10.1038/s41586-025-08853-y
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