Un laser qui reste verrouillé sans contrôle actif

Les lasers fournissent la lumière précise nécessaire aux horloges atomiques, aux capteurs quantiques, à la surveillance par fibre optique, aux communications cohérentes et aux mesures de distance. Ces applications dépendent de lasers dont la fréquence optique reste exceptionnellement stable. Les systèmes les plus précis reposent souvent sur des lasers de laboratoire encombrants, ce qui limite leur utilisation dans les technologies compactes et portables.

Les lasers à semi-conducteurs constituent une alternative pratique. Ils sont petits, alimentés électriquement et adaptés à la fabrication à grande échelle. Leur fréquence a toutefois tendance à fluctuer beaucoup plus que celle des lasers à fibre utilisés dans les systèmes de précision.

Les chercheurs peuvent réduire ce bruit grâce au verrouillage par auto-injection. Dans cette approche, une partie de la lumière du laser pénètre dans un résonateur optique de haute qualité, puis retourne vers le laser. Cette rétroaction optique stabilise la fréquence du laser et peut réduire sa largeur de raie, une mesure de la stabilité en fréquence, de plusieurs ordres de grandeur.

Le défi consiste à maintenir le laser stable dans cet état. Celui-ci ne fonctionne généralement que dans des conditions très précises, comme un courant électrique particulier et une phase exacte du trajet de la lumière de retour. De petits changements, tels que des variations de température ou de minuscules écarts de fabrication, peuvent facilement rompre cet équilibre. Pour cette raison, la plupart des systèmes nécessitent des commandes et une électronique supplémentaires pour ajuster en permanence le laser et le maintenir stable.

Une équipe dirigée par Tobias J. Kippenberg à l’EPFL a maintenant démontré un laser photonique intégré qui reste verrouillé par auto-injection sur toute la plage de courant d’alimentation testée. Les chercheurs appellent cette approche « verrouillage par auto-injection sans fin ».

Le dispositif associe un laser à semi-conducteurs standard à une minuscule puce optique qui lui renvoie une partie de la lumière. En concevant soigneusement cette rétroaction, l’équipe a fait en sorte que le laser reste stable même lorsque les conditions changent.

Elle a également fait en sorte que les régimes de fonctionnement stables se chevauchent. Ainsi, lorsque le courant d’alimentation varie, le laser peut passer en douceur d’un état stable à un autre sans perdre son verrouillage.

Les chercheurs ont testé le laser en faisant varier son courant d’alimentation de 154 à 300 milliampères. À chaque courant mesuré, le verrouillage par auto-injection a réduit le bruit de fréquence d’un facteur supérieur à 5 000 par rapport au laser libre. La largeur de raie intrinsèque est restée inférieure à 10 hertz.

L’équipe a aussi intégré des actionneurs piézoélectriques sur la puce photonique. Ces actionneurs accordent le résonateur par effet élasto-optique lorsqu’une tension est appliquée. Le dispositif a produit des balayages de fréquence sans saut de mode de plus de 1,5 gigahertz tout en restant verrouillé, sans contrôle actif du courant d’alimentation ni de la phase de rétroaction.

Cette conception pourrait faciliter l’utilisation de lasers compacts à très faible bruit dans des applications telles que la détection optique, le LiDAR, les communications cohérentes, les horloges atomiques et la détection quantique. Ces travaux démontrent le principe dans un dispositif de laboratoire. Un développement d’ingénierie et un packaging supplémentaires seraient nécessaires pour un déploiement hors du laboratoire.

Autres contributeurs

• Institut de génie électrique et électronique de l’EPFL
• Laboratoire de NEMS avancés de l’EPFL