Représentation artistique d’un réseau topologique de lasers à émission verticale. Les 30 microlasers le long d’une interface topologique (bleu) agissent comme un seul, émettant collectivement une lumière laser cohérente (rouge). Crédit : Pixelwg, Christian Kroneck
De minuscules lasers agissant ensemble comme un seul : Réseaux laser topologiques à cavité verticale
Des chercheurs israéliens et allemands ont développé un moyen de forcer un réseau de lasers à cavité verticale à agir ensemble comme un seul laser – un réseau laser très efficace de la taille d’un grain de sable. Les résultats sont présentés dans un nouveau document de recherche conjoint publié en ligne par la prestigieuse revue Science le 24 septembre 2021.
Les téléphones portables, les capteurs de voiture 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-conducteur fermement ancrés dans notre technologie quotidienne. Bien que largement utilisé, le dispositif VCSEL a une taille minuscule de seulement quelques microns, 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 de tels dispositifs en combinant de nombreux minuscules VCSEL et en les forçant à agir comme un seul laser cohérent, mais avec un succès limité. La percée actuelle utilise un schéma différent : elle utilise un arrangement géométrique unique de VCSEL sur la puce qui oblige le vol à s’écouler sur une trajectoire spécifique – une plate-forme 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 Technion dirigé par le professeur Mordechai Segev a introduit ces idées innovantes dans la photonique et a présenté le premier isolant topologique photonique, où la lumière se déplace autour des bords d’un réseau bidimensionnel de guides d’ondes sans être affecté par des défauts ou des désordres. . Cela a ouvert un nouveau domaine, maintenant connu sous le nom de « photonique topologique », où des centaines de groupes mènent actuellement des recherches actives.
En 2018, le même groupe a également trouvé un moyen d’utiliser les propriétés des isolants topologiques photoniques pour forcer de nombreux lasers à micro-anneau à se verrouiller ensemble et à agir comme un seul laser. Mais ce système avait encore un goulot d’étranglement majeur : la lumière circulait dans la puce photonique confinée dans le même plan 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 éteindre la lumière, semblable à une seule prise pour toute une centrale électrique. La percée actuelle utilise un schéma différent : les lasers sont forcés de se verrouiller dans la puce planaire, mais la lumière est désormais émise à travers la surface de la puce par chaque petit laser et peut être facilement collectée.
Circonstances et participants
Ce projet de recherche germano-israélien est principalement né pendant la pandémie de Corona. Sans l’énorme engagement des chercheurs impliqués, cette étape scientifique n’aurait pas été possible. La recherche a été menée par le doctorant Alex Dikopoltsev de l’équipe du professeur distingué Mordechai Segev, du département de physique et du département de génie électrique et informatique du Technion – Israel Institute of Technology, et le doctorant Tristan H. Harder de l’équipe du professeur Sebastian Klembt et le professeur Sven Höfling de la Chaire de physique appliquée de l’Université de Würzburg et du Cluster of Excellence ct.qmat — Complexity and Topology in Quantum Matter, en collaboration avec des chercheurs d’Iéna et d’Oldenburg. La fabrication de l’appareil a profité des excellentes installations de salle blanche de l’Université de Würzburg.
La longue route vers de nouveaux lasers topologiques
“Il est fascinant de voir comment la science évolue”, a déclaré le professeur Segev du Technion. « Nous sommes passés de concepts de physique fondamentale à des changements fondamentaux, et maintenant à une technologie réelle qui est maintenant poursuivie par les entreprises. En 2015, lorsque nous avons commencé à travailler sur les lasers isolants topologiques, personne ne croyait que c’était possible, car les concepts topologiques connus à l’époque se limitaient à des systèmes qui n’ont, en fait, pas – ne peuvent pas – avoir de gain. Mais tous les lasers nécessitent un gain. Les lasers à isolant topologique se sont donc opposés à tout ce qui était connu à cette 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. »
L’équipe israélienne et allemande a utilisé les concepts de 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, non limité par un certain nombre d’émetteurs VCSEL, et non perturbé par des défauts ou des températures changeantes.
“Le principe topologique de ce laser peut généralement fonctionner pour toutes les longueurs d’onde et donc pour une gamme de matériaux”, explique le chef de projet allemand, le professeur Sebastian Klembt de l’Université de Würzburg, travaillant sur l’interaction lumière-matière et la photonique topologique au sein du cluster ct.qmat. d’Excellence. « Le nombre exact de microlasers à disposer et à connecter dépendra toujours entièrement de l’application. Nous pouvons étendre la taille du réseau laser à une très grande taille, et en principe il restera cohérent également pour les grands nombres. C’est formidable de voir que la topologie, à l’origine une branche des mathématiques, est devenue une nouvelle boîte à outils révolutionnaire pour contrôler, orienter et améliorer les propriétés laser.
La recherche révolutionnaire a démontré qu’il est en fait théoriquement et expérimentalement possible de combiner des VCSEL pour obtenir un laser plus robuste et très 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.
Référence : « Topological insulator vertical-cavity laser array » par Alex Dikopoltsev, Tristan H. Harder, Eran Lustig, Oleg A. Egorov, Johannes Beierlein, Adriana WolfYaakov Lumer, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höfling, Mordechai Segev et Sebastian Klembt, 24 septembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abj2232
Financement : Pôle d’excellence allemand ct.qmat – Complexité et topologie en matière quantique
Pôle d’Excellence ct.qmat
Le pôle d’excellence ct.qmat–Complexité et topologie dans la matière quantique est une collaboration de recherche conjointe entre Julius-Maximilians-Universität Würzburg et Technische Universität (TU) Dresden depuis 2019. L’alliance de recherche est étroitement liée aux groupes de recherche du professeur Alexander Szameit à Rostock et du professeur Moti Segev à Haïfa, Israël. Plus de 270 scientifiques de 33 pays et de quatre continents effectuent des recherches sur les matériaux quantiques topologiques qui révèlent des phénomènes surprenants dans des conditions extrêmes telles que des températures ultra basses, des pressions élevées ou des champs magnétiques puissants. Le cluster d’excellence est financé dans le cadre de la stratégie d’excellence des gouvernements fédéral et étatiques allemands.
