Les lasers ont révolutionné le monde depuis les années 1960 et sont désormais des outils indispensables pour les applications modernes allant de la chirurgie de pointe et de la fabrication de précision à la transmission de données par fibre optique.
Mais à mesure que la demande en applications laser augmente, les défis se multiplient. Par exemple, le marché des lasers à fibre optique, qui sont aujourd'hui principalement utilisés dans les applications industrielles de découpe, de soudage et de marquage, est en pleine croissance.
Les lasers à fibre optique utilisent des fibres optiques dopées avec des éléments de terres rares (erbium, ytterbium, néodyme, etc.) comme source de gain optique (la partie qui produit la lumière laser). Les lasers à fibre optique émettent des faisceaux de haute qualité avec une puissance de sortie élevée, un rendement élevé, une faible maintenance, une durabilité et sont généralement plus petits que les lasers à gaz. Les lasers à fibre optique sont également la « référence absolue » en matière de faible bruit de phase, ce qui signifie que leurs faisceaux peuvent être stables sur de longues périodes.
Malgré cela, la demande de miniaturisation des lasers à fibre à l'échelle de la puce est croissante. Les lasers à fibre à base d'erbium présentent un intérêt particulier car ils répondent à toutes les exigences pour maintenir une cohérence et une stabilité élevées du laser. Cependant, le maintien des performances des lasers à fibre à petite échelle constitue un défi pour les lasers à fibre miniaturisés.
Des scientifiques dirigés par le Dr Yang Liu et le Prof. Tobias Kippenberg de l'EPFL ont fabriqué les premiers lasers à guide d'ondes dopés à l'erbium intégrés dans une puce, avec des performances proches de celles des lasers à fibre, tout en combinant l'utilité d'une accordabilité à large longueur d'onde et d'une intégration photonique à l'échelle de la puce. L'étude a été publiée dans Nature Photonics.
Construction de lasers à l'échelle d'une puce
Les chercheurs ont développé des lasers à l'erbium à l'échelle d'une puce en utilisant des procédés de fabrication de pointe. Ils ont d'abord construit une cavité optique sur puce d'un mètre de long (un ensemble de miroirs qui fournissent une rétroaction optique) basée sur un circuit intégré photonique en nitrure de silicium à très faible perte.
Le Dr Yang Liu a déclaré : « Malgré la taille compacte de la puce, nous avons pu concevoir la cavité laser sur une longueur d'un mètre grâce à l'intégration de ces résonateurs microvia, qui prolongent efficacement le chemin optique sans agrandir physiquement l'appareil. »
L'équipe a ensuite implanté une forte concentration d'ions erbium dans le circuit pour générer sélectivement le milieu de gain actif nécessaire à l'effet laser. Enfin, ils ont intégré le circuit à un laser pompé par semi-conducteur du groupe III-V pour exciter les ions erbium afin d'émettre de la lumière et de produire un faisceau laser.
Pour affiner les performances du laser et obtenir un contrôle précis de la longueur d'onde, les chercheurs ont conçu une conception intracavité innovante comprenant un filtre microporeux à base de Vernier, un filtre optique qui permet la sélection d'une fréquence optique spécifique.
Ce filtre permet un réglage dynamique de la longueur d'onde du laser sur une large gamme de longueurs d'onde, ce qui le rend polyvalent et adapté à une grande variété d'applications. Cette conception prend en charge les lasers monomodes stables avec une largeur de ligne interne incroyablement étroite de seulement 50 Hz.
Il présente également une suppression importante des modes latéraux, où le laser est capable d'émettre de la lumière à une fréquence unique et stable tout en minimisant l'intensité des autres fréquences (« modes latéraux »). Cela garantit une sortie « propre » et stable sur toute la plage spectrale pour les applications de haute précision.
Image optique d'un laser hybride intégré basé sur un circuit intégré photonique dopé à l'erbium, offrant la cohérence d'un laser à fibre et une accordabilité de fréquence jusqu'alors inaccessible.
Puissance, précision, stabilité et faible bruit
Le laser à fibre erbium à l'échelle de la puce a une puissance de sortie de plus de 10 mW et un taux de rejet de mode latéral de plus de 70 dB, ce qui est supérieur à de nombreux systèmes conventionnels.
Il possède également une largeur de ligne très étroite, ce qui signifie que la lumière qu'il émet est très pure et stable, ce qui est important pour les applications cohérentes telles que la détection, les gyroscopes, le LIDAR et la métrologie de fréquence optique.
Le filtre Vernier à base de micro-ouverture permet au laser d'avoir une large accordabilité de longueur d'onde de 40 nm dans la bande C et la bande L (la gamme de longueurs d'onde utilisée pour les télécommunications), surpassant les lasers à fibre conventionnels à la fois dans le réglage et les mesures de pics spectraux faibles (« pics » sont des fréquences indésirables), tout en étant compatible avec les processus actuels de fabrication de semi-conducteurs.
Lasers de nouvelle génération
La miniaturisation et l’intégration des lasers à fibre erbium dans des dispositifs à l’échelle d’une puce réduisent leur coût global, ce qui permet de les utiliser dans des systèmes portables et hautement intégrés dans les télécommunications, les diagnostics médicaux et l’électronique grand public.
Il peut également réduire la taille de la technologie optique pour une variété d'autres applications, telles que le LIDAR, la photonique micro-ondes, la synthèse de fréquence optique et les communications en espace libre.
