Une équipe de chercheurs dirigée par Jelena Vučković, professeur de génie électrique à l'Université de Stanford, a été pionnière en intégrant un laser de pierre précieuse de titane (Ti : saphir) sur une puce (qui peut être pompée avec un pointeur laser vert). Comparé à tout autre laser à pierres précieuses en titane actuellement disponible, ce prototype est quatre ordres de grandeur plus petit (c'est-à-dire un dix millième de l'original) et trois ordres de grandeur inférieurs en termes de coût (c'est-à-dire un millième de l'original).
Les lasers à pierres précieuses en titane, en raison de leur bande passante à gain élevé et de leur sortie d'impulsions ultrarapides, sont indispensables dans des domaines tels que l'optique quantique de pointe, la spectroscopie et les neurosciences. Cependant, leur grande taille et leur prix élevé (des centaines de milliers de dollars chacun), ainsi que la nécessité d'appareils de grande puissance (chacun se vendant environ 30 $ 000) pour les pomper, ont limité leur utilisation généralisée.
"Au Laboratoire de photonique nano et quantique de Stanford, nous avons mené plusieurs expériences quantiques basées sur des bits quantiques de spin à l'état solide dans des matériaux tels que le diamant et le carbure de silicium. Cette expérience s'appuie largement sur des lasers commerciaux de pierres précieuses en titane." Joshua Yang, doctorant dans l'équipe de Vučković, explique.
En plus d'être coûteux, les lasers pour pierres précieuses en titane sont complexes et nécessitent souvent un entretien régulier pour assurer leur bon fonctionnement.Prof. L'équipe de recherche de Vučković mène un grand nombre d'expériences pour lesquelles les lasers à pierres précieuses en titane ne disposent pas de suffisamment de temps machine et doivent donc partager l'équipement et gérer le calendrier des expériences. De plus, comme la puissance requise pour les expériences est bien inférieure à la puissance de sortie des lasers commerciaux pour pierres précieuses en titane, la puissance du laser ne peut être atténuée que de quelques ordres de grandeur, ce qui entraîne un gaspillage d'une grande partie de la puissance laser.
Yang a déclaré : « Les lasers à saphir en titane à l'échelle d'une puce, en raison de leur faible coût, de leur compacité et de leur stabilité, peuvent remplacer les systèmes laser commerciaux de pierres précieuses en titane actuellement utilisés pour nos expériences de précision.
Figure 1 : Le laser pour pierres précieuses en titane à l'échelle d'une puce développé par l'équipe de recherche du professeur Jelena Vučković. Le laser repose en diagonale contre une pierre précieuse en titane, toutes deux reposant sur un quart.
Conception laser intelligente
Le laser à l’échelle d’une puce développé par l’équipe se compose de deux parties principales : un guide d’ondes et un résonateur en anneau.
Une couche de pierres précieuses en titane est placée sur un substrat de dioxyde de silicium (SiO2), qui est ensuite placé sur un verre saphir. La couche de pierre précieuse en titane est meulée, gravée et polie jusqu'à une épaisseur de quelques centaines de nanomètres seulement. Il a ensuite été structuré avec un guide d'ondes, qui agit comme un vortex de minuscules crêtes qui guident la lumière lorsqu'elle le traverse.
Un appareil de chauffage miniature est utilisé pour chauffer le guide d'ondes, ce qui modifie l'indice de réfraction du guide d'ondes et la vitesse à laquelle la lumière traverse le guide d'ondes, de sorte que la longueur d'onde de sortie puisse être ajustée sur une plage de longueurs d'onde, du rouge à l'infrarouge (actuellement réglable). à 60 nm).
"Le guide d'ondes en forme de spirale équivaut à un amplificateur pour le laser, et la puissance augmente à mesure que le laser le traverse." Yang explique : "Le résonateur en anneau agit à la fois comme un filtre pour moduler la longueur d'onde du laser via des microchauffeurs, et comme une cavité résonante pour le laser, agissant comme un chemin de recirculation pour la transmission du laser."
Figure 2 : Image optique d'un amplificateur de guide d'ondes en pierre précieuse de titane mesurant 0,5 mm x 0,5 mm.
Défis pour les lasers à pierres précieuses en titane à l'échelle d'une puce
La plus grande difficulté avec les lasers à pierres précieuses en titane est qu’ils nécessitent un pompage à haute intensité pour fonctionner. En mettant en œuvre la technologie laser des pierres précieuses en titane grâce à un guide d'ondes de haute précision, l'équipe de recherche a réalisé deux avancées importantes :
Premièrement, étant donné que l’intensité de pompage correspond à une puissance divisée par la zone, l’utilisation de guides d’ondes optiques en pierre précieuse de titane réduit considérablement la zone de pompage. "Cela signifie qu'il faut seulement moins de puissance (environ 1 000 fois moins) pour atteindre une intensité de pompage similaire à celle des systèmes commerciaux de pierres précieuses en titane." Yang explique : « Même un laser à semi-conducteur à lumière verte bon marché est suffisamment puissant pour pomper ce laser à l'échelle d'une puce. »
Deuxièmement, le laser des pierres précieuses en titane est intégré à la puce. "Le laser saphir à l'échelle d'une puce (sans pièces mobiles supplémentaires) présente une miniaturisation, une évolutivité et une durabilité inégalées par les lasers commerciaux destinés à la fabrication à grande échelle de semi-conducteurs au niveau des tranches." Yang a ajouté.
Pour Yang, le point culminant de ce travail est l’utilisation de ce laser à pierre précieuse en titane à l’échelle d’une puce pour des expériences quantiques. Il a déclaré : "Ce fut une grande surprise de voir ce petit dispositif remplacer un système laser commercial volumineux dans une expérience complexe d'électrodynamique quantique à cavité (QED). Parce que les lasers à l'échelle d'une puce que nous avons développés sont vraiment exceptionnels."
L'un des défis que l'équipe de recherche de Vučković a dû surmonter pour rendre le laser à pierre précieuse en titane à l'échelle d'une puce véritablement utilisable pour les expériences quantiques était d'optimiser le couplage de la source de pompe. "Pour les expériences, le laser est pompé à travers un trajet lumineux en espace libre", explique Yang, "mais grâce à la technologie d'emballage photonique, il est possible d'intégrer un laser à semi-conducteur à lumière verte qui sert de source de pompage pour la pierre précieuse de titane à l'échelle d'une puce. laser. En optimisant le couplage du système d'emballage et de la source de pompe, une puissance laser plus élevée peut être obtenue, et le laser est à la fois portable et durable.
Applications potentielles
Les lasers à pierres précieuses en titane à l'échelle d'une puce ont un large éventail d'applications, depuis les technologies quantiques telles que l'informatique quantique et les horloges atomiques jusqu'aux applications médicales telles que la tomographie par cohérence optique et la microscopie à deux photons.
"J'espère que cette technologie arrivera à maturité et sera utilisée dans ces domaines au cours des prochaines années", a déclaré Yang. Après avoir obtenu son diplôme cet été, il travaillera pour Brightlight Photonics, une entreprise qui s'efforcera de faciliter la commercialisation de lasers à pierres précieuses en titane à l'échelle d'une puce.
Actuellement, Jelena Vučković et son équipe de recherche travaillent sur un laser à titane à puce réglable et à mode verrouillé.
Les lasers pulsés « ouvriront de nouvelles opportunités pour les applications laser dans la technologie quantique, le traitement classique de l'information et la biomédecine », a déclaré le professeur Vučković.
