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14 Mar, 2024

Un minuscule laser ouvre la porte à des capteurs de la taille d’une puce

Un minuscule laser ouvre la porte à des capteurs de la taille d’une puce

Le nouveau peigne de fréquence pourrait intégrer de puissants capteurs dans un téléphone

Selon une nouvelle recherche, un nouveau petit laser ultra économe en énergie sur une puce pourrait permettre à de puissants capteurs médicaux de s’intégrer dans un téléphone.

Le nouvel appareil est une sorte de peigne de fréquence, un laser spécialisé qui génère plusieurs longueurs d’onde de lumière, chacune à un intervalle de fréquence régulier. Sur un spectrogramme, cela ressemblerait un peu aux dents d’un peigne. En environ un quart de siècle depuis leur développement, ces « règles de la lumière » ont révolutionné de nombreux types de mesures de haute précision, de la chronométrage à la détection moléculaire. De plus, chaque ligne d’un peigne peut être isolée et avoir des propriétés telles que son amplitude modulée pour transporter des données sur fibre optique.

Cependant, les peignes de fréquence nécessitent généralement un équipement encombrant, coûteux et gourmand en énergie. Cela a largement limité leur utilisation aux laboratoires.

Aujourd’hui, les scientifiques de l’Université de Stanford ont utilisé deux méthodes différentes explorées par des travaux antérieurs pour créer des peignes de fréquence à l’échelle d’une micropuce. Une stratégie, appelée oscillation paramétrique optique, consiste à faire rebondir des faisceaux de lumière laser dans un cristal, ce qui permet à la lumière de s’organiser en impulsions d’ondes cohérentes et stables.

L’autre approche, connue sous le nom de modulation de phase, envoie une lumière laser dans une cavité, puis applique des signaux radiofréquence pour contrôler la phase de la lumière, générant ainsi des répétitions de fréquence à utiliser dans les peignes. Cependant, ces deux stratégies présentent des inconvénients, tels qu’une inefficacité énergétique et une capacité limitée à ajuster les paramètres optiques.

Le « micropeigne » qui en résulte ne mesure que 1 millimètre sur 10 millimètres.

Pour surmonter ces défis, les scientifiques ont expérimenté un matériau appelé niobate de lithium en couche mince, qui présente de nombreux avantages par rapport au silicium, le matériau standard de l’industrie. Deux de ces propriétés incluent la façon dont une large gamme de longueurs d’onde lumineuses peut le traverser et comment il peut permettre à des faisceaux lumineux de différentes longueurs d’onde d’interagir les uns avec les autres pour générer de nouvelles longueurs d’onde.

Le nouveau matériau permettait à la fois l’amplification paramétrique optique et la modulation de phase dans une seule cavité. Le « micropeigne » qui en résulte ne mesure que 1 millimètre sur 10 millimètres. Une taille aussi compacte suggère qu’il pourrait être utilisé dans des appareils personnels de la taille d’un téléphone ou plus petits, selon les chercheurs. Il pourrait également être facilement fabriqué dans des usines de fabrication de micropuces conventionnelles, ajoutent-ils.

« L’aspect le plus surprenant de ce peigne était ses performances, en termes de bande passante, de spectre et d’efficacité », explique Amir Safavi-Naeini, professeur agrégé de physique appliquée à l’Université de Stanford.

Au lieu de générer des impulsions lumineuses comme prévu par les chercheurs, le nouveau micropeigne a produit de manière inattendue une sortie continue. D’autres peignes gaspillent de l’énergie entre les impulsions. En conséquence, les scientifiques pourraient réduire la puissance d’entrée requise par l’appareil d’environ un ordre de grandeur.

Un peigne de fréquence haute efficacité et haute performance

L’efficacité du nouveau dispositif pour convertir la lumière pompée dans la cavité en peigne a dépassé 93 pour cent. Il pourrait générer 200 lignes de peigne espacées d’environ 5,8 gigahertz sur plus de 1 térahertz de fréquences. Il s’est avéré hautement réglable en ajustant simplement le signal radio qui lui était appliqué. Toutes ces propriétés le rendent « extrêmement attrayant pour les idées émergentes sur les capteurs à l’échelle d’une puce qui doivent détecter un spectre sur de larges plages », explique Amir Safavi-Naeini.

De plus, l’appareil a donné un peigne plat, ce qui signifie que les lignes de peigne plus éloignées en fréquence du centre ne se sont pas atténuées en intensité. Cette nature plate contribue à augmenter la précision et rend le micropeigne utile dans une plus grande variété d’applications de mesure.

Les scientifiques notent que l’espacement entre les lignes de peigne pourrait atteindre 50 à 100 GHz et que l’appareil pourrait potentiellement fonctionner avec une lumière bleue à infrarouge moyenne. Cela suggère que le micropeigne pourrait être utilisé dans des applications telles que le diagnostic médical, les télécommunications par fibre optique, le LIDAR et la spectroscopie.

«Nous avons récemment commencé à travailler sur des applications de détection de gaz à effet de serre très légères, peu coûteuses et à faible consommation d’énergie», assure Amir Safavi-Naeini. « D’autres domaines comme la biodétection sont également très intéressants. »

À l’avenir, les scientifiques souhaiteraient améliorer les performances de l’appareil, ainsi qu’étendre sa bande passante et ses plages de longueurs d’onde de fonctionnement, précise Amir explique Safavi-Naeini.

Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en ligne le 6 mars dans la revue Nature.

https://spectrum.ieee.org/frequency-comb-2667465105