Miniaturisation d'un laser sur une puce photonique

Créés dans les années 1960, les lasers ont révolutionné le monde. Ils sont devenus indispensables dans les applications modernes, de la chirurgie de pointe à la transmission de données par fibres optiques, en passant par la fabrication de précision.

Mais les besoins en applications au laser augmentent, tout comme les défis à relever. On observe notamment une croissance du marché des lasers à fibre optique, actuellement utilisés dans les applications industrielles de découpe, de soudage et de marquage.

Les lasers à fibre optique utilisent une fibre optique dopée à des éléments de terres rares (l’erbium, l’ytterbium, le néodyme, etc.) comme source de gain optique (la partie qui produit la lumière du laser). Ils émettent des faisceaux de haute qualité et ont une puissance de sortie élevée. Ils nécessitent peu d’entretien et sont efficaces, durables et généralement de plus petite taille que les lasers à gaz. Les lasers à fibre optique sont également la référence en matière de faible bruit de phase. Leurs faisceaux restent donc stables au fil du temps.

Malgré cela, on exige de plus en plus une miniaturisation des lasers à fibre optique à l’échelle d’une puce. Les lasers à fibre optique dopée à l’erbium sont particulièrement intéressants, car ils remplissent tous les critères en termes de maintien d’une cohérence et d’une stabilité élevées. Mais leur miniaturisation a posé des difficultés pour maintenir leurs performances à petite échelle.

Des scientifiques sous la houlette du docteur Yang Liu et du professeur Tobias Kippenberg de l’EPFL ont créé le tout premier laser en guide d’onde dopé à l’erbium intégré à une puce, dont les performances se rapprochent de celles des lasers à fibre optique, en combinant une large accordabilité en longueur d’onde avec l’aspect pratique de l’intégration photonique à l’échelle d’une puce. Cette avancée a fait l’objet d’un article publié dans la revue Nature Photonics.

Un laser à l’échelle d’une puce

Les chercheuses et chercheurs ont mis au point leur laser erbium à l’échelle d’une puce en recourant à un processus de fabrication ultramoderne. Ils ont commencé par créer 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.

«Nous avons pu concevoir une cavité laser d’un mètre de long, malgré la taille compacte de la puce, grâce à l’intégration de ces résonateurs en micro-anneau qui allongent efficacement le trajet optique sans augmenter la taille du dispositif», explique Yang Liu.

L’équipe a ensuite implanté le circuit avec des ions erbium à forte concentration afin de créer de manière sélective le milieu actif nécessaire à l’activité du laser. Enfin, elle a intégré le circuit avec un laser de pompe à semi-conducteur III-V afin d’exciter les ions erbium pour leur permettre d’émettre de la lumière et de produire le faisceau laser.

Pour affiner les performances du laser et obtenir un contrôle précis de la longueur d’onde, les chercheuses et chercheurs ont élaboré une conception intra-cavité innovante comprenant des filtres Vernier à base de micro-anneaux, un type de filtre optique qui peut sélectionner des fréquences de lumière spécifiques.

Les filtres permettent un accord dynamique de la longueur d’onde du laser sur une large plage, ce qui le rend polyvalent et utilisable dans diverses applications. Cette conception permet d’obtenir un laser monomode stable avec une largeur de raie intrinsèque remarquablement étroite de seulement 50 Hz.

Elle permet également une suppression importante des modes latéraux, c’est-à-dire la capacité du laser à émettre de la lumière à une fréquence unique et constante tout en minimisant l’intensité des autres fréquences («modes latéraux»). Cela garantit une sortie «nette» et stable sur l’ensemble du spectre optique pour les applications de haute précision.

Puissance, précision, stabilité et faible bruit

Le laser à fibre optique dopée à l’erbium à l’échelle d’une puce présente une puissance de sortie de plus de 10 mW et un rapport de suppression des modes latéraux supérieur à 70 dB, ce qui lui permet d’être plus performant que de nombreux systèmes traditionnels.

Il présente également une largeur de raie très étroite. Autrement dit, la lumière qu’il émet est très pure et régulière, ce qui est important pour les applications cohérentes telles que la détection, les gyroscopes, le LiDAR et la métrologie des fréquences optiques.

Le filtre Vernier, à base de micro-anneaux, confère au laser une large accordabilité en longueur d’onde sur 40 nm dans les bandes C et L (gammes de longueurs d’onde utilisées dans les télécommunications), surpassant les lasers à fibre optique traditionnels à la fois en termes d’accord et de spurs de faible spectre (les «spurs» sont des fréquences indésirables), tout en restant compatible avec les procédés de fabrication de semi-conducteurs actuels.

Lasers de nouvelle génération

La miniaturisation et l’intégration des lasers à fibre optique dopée à l’erbium dans des dispositifs à l’échelle d’une puce peuvent réduire leur coût global, ce qui les rend accessibles pour les systèmes portables et hautement intégrés dans les télécommunications, les diagnostics médicaux et l’électronique grand public.

Elles peuvent également réduire la taille des technologies optiques dans diverses autres applications, telles que le LiDAR, la photonique à micro-ondes, la synthèse des fréquences optiques et les communications en espace libre.

«Les domaines d’application de cette nouvelle classe de lasers intégrés dopés à l’erbium sont quasiment illimités», indique Yang Liu.

La spin-off du laboratoire, EDWATEC SA, est un fabricant de dispositifs intégrés qui peut désormais proposer des dispositifs à base de circuits intégrés photoniques dopés aux terres rares, notamment des amplificateurs et des lasers à haute performance.

Autre contributeur

• Centre pour les sciences et l’ingénierie quantiques de l’EPFL