Solitons sombres repérés dans des lasers à semi-conducteurs en anneau – Physics World

Des solitons sombres – des régions d’extinction optique sur fond clair – ont été observés se former spontanément dans des lasers à semi-conducteurs en anneau. Réalisée par une équipe internationale de chercheurs, l'observation pourrait conduire à des améliorations en spectroscopie moléculaire et en optoélectronique intégrée.

Les peignes de fréquence – des lasers pulsés qui émettent de la lumière à des fréquences équidistantes – constituent l’une des réalisations les plus importantes de l’histoire de la physique des lasers. Parfois appelées règles optiques, elles constituent la base des étalons de temps et de fréquence et sont utilisées pour définir de nombreuses quantités fondamentales en science. Cependant, les lasers à peigne de fréquence traditionnels sont encombrants, complexes et coûteux et les experts en laser souhaitent développer des versions plus simples pouvant être intégrées dans des puces.

En entreprenant une telle tentative en 2020, des chercheurs de Federico CapassoLe groupe de l'Université Harvard a découvert accidentellement qu'après être entré initialement dans un régime très turbulent, un laser annulaire à cascade quantique s'est installé sur un peigne à fréquence stable – bien qu'avec seulement neuf dents – dans la région de « l'empreinte digitale » de l'infrarouge moyen largement utilisée dans spectroscopie moléculaire.

Un laser en anneau possède une cavité optique dans laquelle la lumière est guidée autour d'une boucle fermée et un laser à cascade quantique est un dispositif semi-conducteur qui émet un rayonnement infrarouge.

Des résultats inattendus

"Tous ces résultats intéressants sont issus d'un dispositif de contrôle – nous ne nous attendions pas à ce que cela se produise", déclare le professeur de Harvard. Marco Piccardo. Après des mois de réflexion, les chercheurs ont découvert que l’effet pouvait être compris en termes d’instabilité de l’équation différentielle non linéaire qui décrit le système – l’équation complexe de Ginzberg – Landau.

Dans le nouveau travail, Capasso et ses collègues se sont associés à des chercheurs de Benoît Schwarzdu groupe de l'Université de technologie de Vienne. L'équipe autrichienne avait développé plusieurs modèles de peignes de fréquence basés sur des lasers à cascade quantique. Les chercheurs ont intégré un coupleur de guide d’ondes dans la même puce. Cela facilite grandement l’extraction de la lumière et permet d’obtenir une plus grande puissance de sortie. Cela permet également aux scientifiques d'ajuster les pertes de couplage, en poussant le laser entre son régime de peigne de fréquence et le régime dans lequel il devrait fonctionner comme un laser à onde continue qui émet un rayonnement en continu.

Cependant, dans le régime des « vagues continues », quelque chose d’encore plus étrange se produit. Parfois, lorsque le laser est allumé, il se comporte simplement comme un laser à onde continue, mais l'éteindre et l'allumer peut faire apparaître un ou plusieurs solitons sombres de manière aléatoire.

Les solitons sont des paquets d'ondes de rayonnement non linéaires, non dispersifs et auto-renforçants qui peuvent se propager indéfiniment dans l'espace et se traverser efficacement sans changement. Ils ont été observés pour la première fois en 1834 dans les vagues d'eau, mais ont ensuite été observés dans de nombreux autres systèmes physiques, notamment l'optique.

Solitons dans de minuscules interstices

La chose surprenante à propos de cette dernière observation est que les solitons apparaissent comme de minuscules espaces dans la lumière laser continue. Ce changement apparemment minime dans l’émission laser entraîne un changement considérable dans son spectre de fréquences.

"Lorsque vous parlez d'un laser à onde continue, cela signifie que dans le domaine spectral, vous avez un seul pic monochromatique", explique Piccardo. "Ce creux représente le monde entier... Ces deux images sont liées par le principe d'incertitude, donc quand vous avez quelque chose de très, très étroit dans l'espace ou dans le temps, cela signifie que dans le domaine spectral, vous avez de très nombreux modes, et en avoir beaucoup, de nombreux modes signifient que vous pouvez faire de la spectroscopie et observer des molécules qui émettent sur une très, très large plage spectrale.

Des solitons sombres ont parfois été observés auparavant, mais jamais dans un petit laser à injection électrique comme celui-ci. Piccardo dit que d'un point de vue spectral, un soliton sombre est aussi utile qu'un soliton brillant. Certaines applications telles que la spectroscopie pompe-sonde nécessitent cependant des impulsions lumineuses. Les techniques nécessaires pour produire des solitons brillants à partir de solitons sombres feront l'objet de travaux ultérieurs. Les chercheurs étudient également comment produire des solitons de manière déterministe.

Le peigne à fréquence optique tient dans votre poche arrière

Un avantage crucial de cette conception en peigne pour l'intégration est que, comme la lumière circule dans une seule direction dans le guide d'onde en anneau, les chercheurs pensent que le laser est intrinsèquement immunisé contre le feedback qui peut perturber de nombreux autres lasers. Cela ne nécessiterait donc pas d’isolateurs magnétiques, souvent impossibles à intégrer dans des puces de silicium à l’échelle commerciale.

Dans un souci d’intégration, les chercheurs souhaitent étendre la technique au-delà des lasers à cascade quantique. "Bien que la puce soit très compacte, les lasers à cascade quantique nécessitent généralement des tensions élevées pour fonctionner, ils ne constituent donc pas vraiment un moyen de placer l'électronique sur la puce", explique Piccardo. "Si cela pouvait fonctionner avec d'autres lasers tels que les lasers à cascade interbandes, nous pourrions alors miniaturiser le tout et il pourrait réellement fonctionner sur batterie."

Physicien des lasers Pierre Delfyett de l'Université de Floride centrale à Orlando estime que ces travaux sont prometteurs pour les travaux futurs. "Cette impulsion sombre dans le domaine fréquentiel est une banque de couleurs et, bien que leur pureté spectrale soit assez bonne, leur positionnement exact n'a pas encore été atteint", dit-il. "Cependant, le fait qu'ils puissent faire cela - fabriquer des solitons sur puce avec un dispositif pompé électriquement - constitue en fait une avancée extrêmement significative. Sans aucun doute."

La recherche est décrite dans Nature.

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• PlatoData.Network Ai générative verticale. Autonomisez-vous. Accéder ici.
• PlatoAiStream. Intelligence Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• PlatonESG. Carbone, Technologie propre, Énergie, Environnement, Solaire, La gestion des déchets. Accéder ici.
• PlatoHealth. Veille biotechnologique et essais cliniques. Accéder ici.
• La source: https://physicsworld.com/a/dark-solitons-spotted-in-ring-semiconductor-lasers/