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Des chercheurs d'Israël et d'Allemagne ont collaboré pour mettre au point un réseau de lasers à cavité verticale qui fonctionne comme un laser unique. Ces résultats sont présentés dans un nouveau document de recherche conjoint qui a été publié en ligne dans Science.

Les téléphones portables, les capteurs automobiles ou la transmission de données dans les réseaux de fibres optiques utilisent tous des lasers à émission de surface à cavité verticale (VCSEL), des lasers à semi-conducteurs solidement ancrés dans notre technologie quotidienne. Bien qu'il soit largement utilisé, le dispositif VCSEL a une taille minuscule de quelques microns seulement, ce qui fixe une limite stricte à la puissance de sortie qu'il peut générer. Pendant des années, les scientifiques ont cherché à améliorer la puissance émise par ces dispositifs en combinant plusieurs VCSEL minuscules et en les forçant à agir comme un seul laser cohérent, mais sans grand succès. La percée actuelle utilise un schéma différent : elle fait appel à une disposition géométrique unique des VCSEL sur la puce qui force le rayonnement à suivre un chemin spécifique - une plateforme d'isolant topologique photonique.

Des isolants topologiques aux lasers topologiques

Les isolants topologiques sont des matériaux quantiques révolutionnaires qui isolent à l'intérieur mais conduisent l'électricité à leur surface, sans perte. Il y a plusieurs années, le groupe du Technion dirigé par le professeur émérite Mordechai (Moti) Segev a introduit ces idées novatrices dans la photonique et a démontré le premier isolant topologique photonique, où la lumière se déplace autour des bords d'un réseau bidimensionnel de guides d'ondes sans être affectée par des défauts ou des désordres. Cela a ouvert un nouveau domaine, désormais connu sous le nom de "Photonique topologique", où des centaines de groupes mènent actuellement des recherches actives. En 2018, le groupe du Technion a également trouvé un moyen d'utiliser les propriétés des isolants topologiques photoniques pour forcer de nombreux lasers en micro-anneau à se verrouiller ensemble et à agir comme un seul laser. Mais ce système présentait encore un goulot d'étranglement majeur : la lumière circulait dans la puce photonique confinée dans le même plan que celui utilisé pour extraire la lumière. Cela signifiait que l'ensemble du système était à nouveau soumis à une limite de puissance, imposée par le dispositif utilisé pour extraire la lumière, un peu comme s'il n'y avait qu'une seule prise pour toute une centrale électrique. La percée actuelle utilise un schéma différent : les lasers sont obligés de se verrouiller à l'intérieur de la puce plane, mais la lumière est maintenant émise à travers la surface de la puce par chaque petit laser et peut être facilement collectée.

Ce projet de recherche germano-israélien a vu le jour principalement pendant la pandémie de Corona. Sans l'énorme engagement des chercheurs impliqués, ce tournantscientifique n'aurait pas été possible. La recherche a été menée par le doctorant Alex Dikopoltsev de l'équipe du professeur émérite Mordechai (Moti) Segev des facultés de physique et d'ingénierie électrique et informatique du Technion, de l'Institut Solid State et de l'Institut de nanotechnologie Russell Berrie du Technion, et par le doctorant Tristan H. Hardy, de l'équipe des professeurs Sebastian Klembt et Sven Höfling de la chaire de physique appliquée de l'université de Würzburg, et du pôle d'excellence ct.qmat - Complexité et topologie dans les matériaux quantiques, en collaboration avec des chercheurs de Jena et Oldenburg. La fabrication du dispositif a profité des excellentes installations de l'université de Würzburg.

Le long chemin vers de nouveaux lasers topologiques

"Il est fascinant de voir comment la science évolue", a déclaré le professeur émérite Moti Segev, professeur émérite de la faculté de physique et de génie électrique et informatique Robert J. Shillman au Technion. "Nous sommes passés de concepts physiques fondamentaux à des changements fondateurs en la matière, et maintenant à une véritable technologie qui est maintenant recherchée par des entreprises. En 2015, lorsque nous avons commencé à travailler sur les lasers à isolant topologique, personne ne croyait que c'était possible, parce que les concepts topologiques connus à l'époque étaient limités à des systèmes qui, en fait, ne peuvent pas avoir de gain. Or, tous les lasers nécessitent un gain. Les lasers à isolant topologique allaient donc à l'encontre de tout ce qui était connu à l'époque. Nous étions comme une bande de fous à la recherche de quelque chose qui était considéré comme impossible. Et maintenant, nous avons fait un grand pas vers une véritable technologie qui a de nombreuses applications."

Les équipes israélienne et allemande ont utilisé les concepts de la photonique topologique avec des VCSEL qui émettent la lumière verticalement, tandis que le processus topologique responsable de la cohérence mutuelle et du verrouillage des VCSEL se produit dans le plan de la puce. Le résultat final est un laser puissant mais très compact et efficace, qui n'est pas limité par le nombre d'émetteurs VCSEL et qui n'est pas perturbé par les défauts ou les variations de température.

"Le principe topologique de ce laser peut généralement fonctionner pour toutes les longueurs d'onde et donc pour toute une série de matériaux", explique le chef de projet allemand, le professeur Sebastian Klembt de l'université de Würzburg, qui travaille sur l'interaction lumière-matière et la photonique topologique au sein du pôle d'excellence ct.qmat. "Le nombre exact de microlasers à disposer et à connecter dépend toujours entièrement de l'application. Nous pouvons étendre la taille du réseau de lasers à une très grande échelle, et en principe, il restera cohérent même pour un grand nombre. Il est formidable de constater que la topologie, qui était à l'origine une branche des mathématiques, est devenue une nouvelle boîte à outils révolutionnaire pour contrôler, orienter et améliorer les propriétés des lasers."

Cette recherche révolutionnaire a démontré qu'il est en fait possible, théoriquement et expérimentalement, de combiner des VCSEL pour obtenir un laser plus robuste et hautement efficace. En tant que tels, les résultats de l'étude ouvrent la voie aux applications de nombreuses technologies futures telles que les dispositifs médicaux, les communications et une variété d'applications du monde réel.

L'article dans Science