Des scientifiques intègrent pour la première fois un casier de mode laser haute performance sur une puce nanophotonique

L'utilisation des lasers dans la vie quotidienne est devenue relativement courante et peut également constituer un outil important pour observer, analyser et quantifier des éléments naturels invisibles à l'œil nu - tâches qui, malheureusement, ont été limitées dans le passé par la nécessité d'utiliser des instruments volumineux et coûteux.
Une équipe de scientifiques de la City University de New York et de l'équipe du California Institute of Technology a démontré expérimentalement une nouvelle façon de fabriquer des lasers ultrarapides de haute performance sur des puces nanophotoniques - ils ont démontré les premiers lasers à mode verrouillé et pompés électriquement au monde avec une haute puissance d'impulsion maximale intégrée sur des photopuces en niobate de lithium à couche mince. La recherche a récemment été publiée en couverture dans la revue Science.
La recherche est basée sur des lasers miniaturisés à mode verrouillé, qui émettent un laser unique qui émet un train d'impulsions ultracourtes de lumière cohérente à intervalles femtosecondes, selon le chef d'équipe Qiushi Guo.
Les lasers ultrarapides à mode verrouillé jouent un rôle central dans la résolution des mystères des échelles de temps les plus rapides de la nature, notamment l'étude de la formation et de la rupture des liaisons moléculaires dans les réactions chimiques et l'exploration de la dynamique de propagation de la lumière dans des milieux turbulents.
C'est le développement de lasers à modes verrouillés, en raison de leurs intensités de crête d'impulsion rapides et de leur large couverture spectrale, qui a également alimenté le développement d'une variété de technologies photoniques, notamment les horloges atomiques optiques, la bio-imagerie et le calcul de données basées sur la lumière. dans les ordinateurs.
Malheureusement, même les lasers à mode verrouillé de pointe actuels sont encore à la fois coûteux et gourmands en énergie, ce qui a conduit à limiter leur utilisation aux environnements de laboratoire.
L’objectif de l’équipe susmentionnée : révolutionner le domaine de la photonique ultrarapide en transformant les grands systèmes de laboratoire en systèmes de la taille d’une puce pouvant être produits en série et déployés sur le terrain. Ils veulent seulement réduire la taille des objets, mais ils veulent également s'assurer que ces lasers ultrarapides de la taille d'une puce offrent des performances satisfaisantes. Par exemple, ils ont besoin d’une intensité d’impulsion de crête suffisante, de préférence supérieure à 1 watt, pour construire des systèmes significatifs à l’échelle d’une puce.
Cependant, réaliser et intégrer des lasers efficaces à mode verrouillé sur une puce est une tâche difficile. Cette recherche utilise du niobate de lithium en couches minces (TFLN), une plateforme matérielle innovante. Grâce à ce matériau, il est possible de contrôler avec précision et de former efficacement des impulsions laser en ajoutant un signal électrique RF externe.
Dans leurs expériences, l'équipe de Guo a habilement combiné les propriétés de gain laser élevé des semi-conducteurs III-V avec les capacités de mise en forme d'impulsions très efficaces des guides d'ondes nanophotoniques TFLN, démontrant finalement un laser avec une puissance de sortie maximale allant jusqu'à 0,5 watts. .
En plus de sa taille compacte, le laser à mode verrouillé présenté possède un certain nombre de nouvelles fonctionnalités intéressantes qui peuvent être très prometteuses pour les applications futures.
Par exemple, en réglant avec précision le courant de pompe du laser, Guo a pu affiner la fréquence de répétition des impulsions de sortie sur une large plage de 200 MHz. Grâce à la reconfigurabilité robuste du laser de démonstration, l'équipe espère faciliter les sources en peigne à fréquence stabilisée à l'échelle d'une puce, qui sont essentielles pour les applications de détection de précision.
Bien que la réalisation de systèmes photoniques évolutifs, intégrés et ultrarapides pour les appareils portables et portatifs présente des défis supplémentaires pour l'équipe de Kuo, la démonstration actuelle marque une étape importante dans la résolution d'obstacles majeurs.
Cette réalisation ouvre la voie à l’utilisation des téléphones portables pour diagnostiquer des maladies oculaires ou analyser E. coli et des virus dangereux présents dans les aliments et l’environnement. Cela pourrait également contribuer à créer les horloges atomiques à l’échelle d’une puce du futur, permettant la navigation lorsque le GPS est endommagé ou indisponible.
Les scientifiques ont surmonté un obstacle majeur avec cette dernière démonstration. Néanmoins, les scientifiques sont désormais impatients de surmonter les obstacles supplémentaires liés au développement de systèmes photoniques évolutifs, intégrés et ultrarapides pouvant être utilisés sur des appareils portables et portatifs.