Redéfinir l'accordabilité des lasers

Laser Pockels E-DBR photonique intégré et accordable ultra-rapidement. Crédit: EPFL
Des scientifiques de l'EPFL ont démontré avec succès un laser photonique intégré accordable ultra-rapide basé sur le niobate de lithium qui ouvre de nouvelles frontières dans la technologie laser.
L'avènement des circuits intégrés photoniques (PIC) basés sur des couches minces de niobate de lithium a permis des avancées significatives dans la technologie des lasers en tirant parti de l'effet Pockels pour doter les lasers de capacités d'accord rapide. L'effet Pockels est un phénomène dans lequel l'indice de réfraction d'un matériau change linéairement avec le champ électrique appliqué, ce qui permet de moduler la phase de la lumière avec des signaux électriques à grande vitesse. Cet effet est exploité dans les dispositifs électro-optiques, permettant une modulation de fréquence ultra-rapide et sans saut de mode dans les lasers accordables de Pockels.
Aujourd'hui, un nouveau laser à réflecteur de Bragg distribué (E-DBR) accordable par Pockels, publié dans Nature Photonics, surmonte des limitations de longue date, offrant des vitesses d'accord et des performances record. Les lasers photoniques intégrés traditionnels étaient principalement basés sur le silicium, mais les progrès récents ont déplacé l'attention vers de nouveaux matériaux tels que le niobate de lithium en couches minces, qui offrent des propriétés et des performances électro-optiques considérablement améliorées.
Les lasers intégrés réglables par Pockels offrent une modulation de fréquence ultra-rapide et sans saut de mode, avec des vitesses atteignant l'exahertz par seconde, une linéarité exceptionnelle et un bruit minimal. Jusqu'à présent, cependant, les lasers accordables par Pockels ( ) reposaient sur l'une des deux approches suivantes : le verrouillage par auto-injection et les cavités externes de type Vernier. Ces deux architectures nécessitent un contrôle précis et la stabilisation de plusieurs paramètres analogiques de tension de contrôle pour un fonctionnement continu, et sont limitées en puissance de sortie et en plage de réglage, en raison de la dynamique des résonateurs à microréseaux.
"Notre laser élimine le besoin de résonateurs optiques à microrésonance de haute qualité en tirant parti d'un réseau de Bragg d'ordre élevé à l'échelle du micromètre, fabriqué à l'échelle de la plaquette de silicium dans une fonderie commerciale. Associé à une puce de gain à faible coût, le résultat est un laser réglable de Pockels puissant, robuste et facile à utiliser", explique Anat Siddharth, assistante doctorale au Laboratoire de photonique et de mesures quantiques (LPQM) dirigé par le professeur Tobias J. Kippenberg. "Le nouveau laser permet un accord sans saut de mode à plus de 10 GHz, des vitesses de modulation de fréquence de l'ordre de l'exahertz par seconde, une largeur de ligne intrinsèque de l'ordre du kHz, avec une puissance de sortie de 15 mW. Sa faible non-linéarité d'accord au niveau de 1 % et sa modulation d'amplitude résiduelle de -32 dB surpassent celles des lasers à semi-conducteurs de pointe, qui nécessitent une linéarisation active. Par rapport aux lasers photoniques intégrés précédents basés sur l'accord piézoélectrique, ce laser offre une efficacité de modulation de tension de 550 MHz/V supérieure de 100× et une plage d'accord plus large de 10×
".
"Les caractéristiques uniques de ce laser peuvent bénéficier à des applications telles que le LiDAR cohérent, la détection de gaz de précision et la détection distribuée par fibre optique", déclare Simone Bianconi, co-auteur et chercheur postdoctoral au LPQM. L'équipe de l'EPFL a démontré l'imagerie LiDAR 3D cohérente à haute résolution avec une résolution en cm en utilisant ce nouveau laser. Le laser a également permis une détection très sensible du cyanure d'hydrogène (HCN), grâce à sa capacité à cibler précisément et rapidement les caractéristiques spectroscopiques vibrationnelles de ce gaz. "Nos résultats montrent que ce laser pourrait trouver des applications dans la télédétection, la télémétrie et la surveillance de l'environnement, où les lasers accordables doivent être à la fois très performants et évolutifs.
Ce travail représente un changement de paradigme dans les lasers à intégration photonique : en combinant le meilleur des milieux à gain semi-conducteur avec l'accord électro-optique en niobate de lithium, le laser atteint des performances de pointe sans augmenter la complexité. Ce laser accordable par Pockels marque un progrès par rapport aux prototypes précédents en permettant une intégration transparente dans la fabrication à grande échelle, soutenant la production rentable de milliers d'unités avec des performances élevées. Les travaux ont tiré parti du kit de développement de processus open-source lnoi400 de la fonderie de niobate de lithium Luxtelligence SA, une plateforme prometteuse pour le prototypage rapide de nouvelles conceptions en photonique intégrée au niobate de lithium. Alors que les industries adoptent de plus en plus des systèmes de détection évolutifs et distribués, cette avancée comble le fossé entre les lasers à semi-conducteurs conventionnels et les plateformes photoniques hybrides émergentes, positionnant la technologie comme un candidat de premier plan pour une application à grande échelle.
Ce travail a été réalisé en collaboration avec Luxtelligence SA et le Dr Johann Riemensberger, professeur associé à la NTNU, en Norvège. Tous les dispositifs ont été fabriqués au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi), EPFL.
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Siddharth, A., Bianconi, S., Wang, R.N., Qiu, Z., Voloshin, A.S., Bereyhi, M.J., Riemensberger, J., Kippenberg, T.J. Ultrafast tunable photonic integrated Pockels extended-DBR laser. Nature Photonics 05 June 2025. DOI: 10.1038/s41566-025-01687-0