Amplification UV géante avec un guide d'ondes semi-conducteur nitrure

Le domaine de la photonique non linéaire ultrarapide fait aujourd'hui l'objet de nombreuses études, car il permet une multitude d'applications en spectroscopie avancée sur puce et en traitement de l'information. Ce dernier requiert en particulier un indice de réfraction optique dépendant fortement de l'intensité, capable de moduler des impulsions optiques à des échelles de temps plus rapides que la picoseconde et à des échelles submillimétriques adaptées à la photonique intégrée.

Malgré les progrès considérables réalisés dans ce domaine, il n'existe actuellement aucune plateforme offrant de telles caractéristiques pour le domaine spectral de l'ultraviolet (UV), où des spectres à large bande générés par modulation non linéaire peuvent être utilisés pour de nouveaux dispositifs de spectroscopie chimique et biochimique ultrarapide sur puce.

Aujourd'hui, une équipe internationale de scientifiques, dont l'EPFL, a obtenu une non-linéarité géante d‘états hybrides lumière-matière UV (dits "exciton-polaritons") jusqu'à la température ambiante dans un guide d'ondes en AlInGaN, un matériau semi-conducteur à large bande interdite à l'origine de la technologie de l'éclairage à semi-conducteurs (par exemple les LED blanches) et des diodes laser bleues.

Publiée dans Nature Communications, cette étude est le fruit d'une collaboration entre l'Université de Sheffield, l'ITMO de Saint-Pétersbourg, l'Université de technologie de Chalmers, l'Université d'Islande et le LASPE de l'Institut de physique de la Faculté des sciences de base de l'EPFL.

Les scientifiques ont utilisé un dispositif compact de 100 mm de long pour mesurer un élargissement spectral non linéaire ultrarapide des impulsions UV avec une non-linéarité 1000 fois supérieure à celle observée dans les matériaux non linéaires UV courants, ce qui est comparable aux dispositifs à polaritons non UV.

L'utilisation d'AlInGaN est une étape importante vers une nouvelle génération de sources de lumière non linéaire UV intégrées pour la spectroscopie et les mesures avancées. "Le système AlInGaN est une plateforme semi-conductrice très robuste et mature qui présente de fortes transitions optiques excitoniques jusqu'à la température ambiante dans la gamme spectrale UV", explique Raphaël Butté de l'EPFL, qui a travaillé sur l'étude.

Les auteurs déclarent : "Les interactions non linéaires des excitons dans notre système sont comparables à celles d'autres systèmes de matériaux à polaritons, comme le GaAs et les pérovskites, qui ne fonctionnent cependant pas simultanément dans l'UV et jusqu'à la température ambiante."