Les longueurs d'onde laser requises pour bon nombre des expériences les plus intrigantes d'aujourd'hui, en particulier dans le domaine visible, constituent un défi pour la source de minuscules circuits intégrés photoniques (PIC). Mais les chercheurs en photonique du National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis et leurs collègues d'Octave Photonics sont à la tête d'une solution à ce problème d'accès aux longueurs d'onde-et relèvent également les défis liés à l'unification de différentes fonctions photoniques pour prendre en charge la commutation, le routage et le filtrage optiques.
Une approche courante aujourd’hui consiste à combiner différents matériaux photoniques pour tenter de permettre ces différentes fonctions et d’exploiter les atouts là où ils existent, mais aucun matériau ne peut le faire à lui seul, à toutes les échelles souhaitées pour mettre en œuvre de nouvelles applications.
"Notre travail a été inspiré par le noble objectif de réaliser des "lasers à toutes longueurs d'onde", avec une compatibilité directe avec les technologies photoniques existantes", explique Grant M. Brodnik, physicien du groupe de nanophotonique quantique et non linéaire du NIST. "Et nous avons démontré d'autres fonctionnalités telles que les peignes de fréquences et la génération de supercontinuum, car la plateforme les prend directement en charge. Ces capacités jouent un rôle clé dans de nombreuses applications importantes."
Merci, optique non linéaire
Pour atteindre la vitesse exigée par l'intelligence artificielle (IA) et les applications quantiques, il est essentiel de passer des électrons aux photons.-tout comme les lasers à l'échelle d'une puce "n'importe quelle longueur d'onde".
Une brève explication de la nouvelle approche de l'équipe : elle commence par une plaquette de silicium standard recouverte de dioxyde de silicium (verre) et de niobate de lithium, un matériau non linéaire qui peut modifier la couleur de la lumière qui y pénètre. L'ajout de métal permet au niobate de lithium d'être connecté électriquement-pour convertir une couleur de lumière en d'autres. Des interfaces similaires en métal-niobate de lithium peuvent permettre une commutation marche/arrêt rapide de la lumière (pensez au routage et au traitement des données à grande vitesse-).
Le dépôt de motifs complexes de pentoxyde de tantale, également appelé tantale, directement sur les autres circuits photoniques permet à des plates-formes photoniques polyvalentes de fonctionner de concert. Le tantala est un matériau non linéaire résistant et bien adapté au fonctionnement dans les longueurs d'onde visibles. "Il possède des propriétés matérielles attrayantes (liées à sa fabrication) qui le rendent susceptible d'une intégration directe avec d'autres matériaux photoniques", explique Brodnik.
Lorsque les chercheurs ont superposé les matériaux dans une pile 3D, ils ont abouti à une seule puce qui achemine efficacement la lumière entre les couches. Cette puce combine les capacités de manipulation de la lumière du tantala avec la contrôlabilité du niobate de lithium.
L'optique non linéaire est désormais la physique "pas-si-secrète" qu'ils exploitent "pour créer des couleurs de lumière entièrement nouvelles à partir de la couleur unique que nous y avons insérée", explique Brodnik. "Si vous prenez une photo avec un appareil photo, vous ne vous attendez pas à ce que les couleurs de l'image changent lorsqu'elles passent à travers un objectif. Mais avec des matériaux non linéaires aux puissances optiques élevées fournies par les lasers, c'est exactement ce qui se produit. C'est une technique clé qui alimente les lasers de table-qui créent de nombreuses couleurs personnalisées aujourd'hui. Nous utilisons ces techniques-mais avec des circuits photoniques dans des appareils plus petits que la taille d'un grain de riz."
L’aspect le plus intéressant de ce travail pour Brodnik est de voir « de nouvelles couleurs de lumière, souvent éblouissantes, sortir de nos appareils suite à la conversion de la lumière d’entrée (qui est invisible à nos yeux) », dit-il. "En laboratoire, avec une puce posée sur une platine de test, nous composons lentement les paramètres de fonctionnement et, boum, un bleu -vert vibrant commence à briller sur la puce. Sur l'appareil suivant, nous le rendons bleu -violet. C'est un peu comme par magie."
Leur travail « pose les bases et démontre le potentiel de la plateforme », explique Brodnik. "Nous allons certainement travailler à optimiser les performances des conceptions existantes, mais la plate-forme débloque de nouvelles fonctionnalités et boutons de conception que nous sommes ravis d'explorer."
De nombreuses applications impliquant une interface avec des transitions atomiques-pensent que la détection quantique et l'informatique-exigent de la lumière à des longueurs d'onde couvrant les bandes d'ondes du visible et du proche-infrarouge. "Les applications qui doivent acheminer et allumer rapidement la lumière, comme le traitement des données optiques et l'informatique, peuvent également bénéficier de la plate-forme en exploitant d'autres fonctionnalités physiques fournies par les matériaux", explique Brodnik. "La technologie d'affichage grand public est peut-être une autre application. Il y en a bien d'autres-certainement que nous n'avons même pas imaginés, qui peuvent désormais être envisagées et développées par la communauté scientifique."
L'équipe dispose de « une poignée d'architectures photoniques passionnantes actuellement en phase de conception, qui nécessitent une multitude de fonctionnalités prises en charge par notre plate-forme », explique Brodnik. « Nous sommes également ravis de collaborer avec des collègues et d'autres chercheurs qui nous ont apporté de nouvelles idées et applications que nous n'avions peut-être pas envisagées ou dont nous n'avions peut-être pas besoin d'une expertise partagée.
