Isolateurs optiques sur puce pour des longueurs d’onde de 780 nm et 1550 nm, fabriqués dans du niobate de lithium à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. Crédit : Ogulcan Orsel
La lumière offre un moyen irremplaçable d’interagir avec notre univers. Il peut parcourir des distances galactiques et entrer en collision avec notre atmosphère, créant une pluie de particules qui racontent l’histoire d’événements astronomiques passés. Ici sur terre, le contrôle de la lumière nous permet d’envoyer des données d’un côté de la planète à l’autre.
Compte tenu de sa vaste utilité, il n’est pas surprenant que la lumière joue un rôle essentiel en permettant 21st applications de l’information quantique du siècle. Par exemple, les scientifiques utilisent la lumière laser pour contrôler avec précision les atomes, les transformant en mesures ultra-sensibles du temps, de l’accélération et même de la gravité. Actuellement, cette technologie quantique précoce est limitée par sa taille – les systèmes de pointe ne tiendraient pas sur une table de salle à manger, encore moins une puce. Pour une utilisation pratique, les scientifiques et les ingénieurs doivent miniaturiser les dispositifs quantiques, ce qui nécessite de repenser certains composants pour exploiter la lumière.
Aujourd’hui, Gaurav Bahl, membre d’IQUIST, et son groupe de recherche ont conçu un circuit photonique simple et compact qui utilise des ondes sonores pour maîtriser la lumière. La nouvelle étude, publiée dans le numéro du 21 octobre 2021 de la revue Photonique Nature, démontre un moyen puissant d’isoler ou de contrôler la directionnalité de la lumière. Les mesures de l’équipe montrent que leur approche de l’isolation surpasse actuellement toutes les alternatives sur puce précédentes et est optimisée pour la compatibilité avec atomecapteurs basés.
“Les atomes sont les références parfaites n’importe où dans la nature et fournissent une base pour de nombreuses applications quantiques”, a déclaré Bahl, professeur de sciences et d’ingénierie mécaniques (MechSe) à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. « Les lasers que nous utilisons pour contrôler les atomes ont besoin d’isolateurs qui bloquent les réflexions indésirables. Mais jusqu’à présent, les isolateurs qui fonctionnent bien dans les expériences à grande échelle se sont avérés difficiles à miniaturiser. »
Même dans les meilleures circonstances, la lumière est difficile à contrôler : elle se réfléchit, absorbe et se réfracte lorsqu’elle rencontre une surface. Un miroir renvoie la lumière d’où elle vient, un éclat de verre courbe la lumière tout en la laissant passer, et des roches sombres absorbent la lumière et la convertissent en chaleur. Essentiellement, la lumière dispersera volontiers dans tous les sens tout ce qui se trouve sur son passage. Ce comportement difficile à manier est la raison pour laquelle même un soupçon de lumière est bénéfique pour voir dans l’obscurité.
Le contrôle de la lumière dans les grands dispositifs quantiques est normalement une tâche ardue qui implique une vaste mer de miroirs, de lentilles, de fibres, etc. La miniaturisation nécessite une approche différente pour bon nombre de ces composants. Au cours des dernières années, les scientifiques et les ingénieurs ont fait des progrès significatifs dans la conception de divers éléments de contrôle de la lumière sur des micropuces. Ils peuvent fabriquer des guides d’ondes, qui sont des canaux de transport de lumière, et peuvent même changer de couleur à l’aide de certains matériaux. Mais forcer la lumière, qui est constituée de minuscules taches appelées photons, à se déplacer dans une direction tout en supprimant les réflexions arrière indésirables est délicat.
“Un isolateur est un dispositif qui permet à la lumière de passer sans interruption dans un sens et la bloque complètement dans la direction opposée”, a déclaré le premier auteur de l’étude, Benjamin Sohn, ancien étudiant diplômé et chercheur postdoctoral à Mechse qui est maintenant au NIST, Boulder. « Cette unidirectionnalité ne peut pas être obtenue en utilisant n’importe quel matériau diélectrique ou verre commun, et nous devons donc être un peu plus innovants. Nous voulons également que l’isolateur fonctionne à des longueurs d’onde de lumière réglées sur des capteurs atomiques, ce qui peut être difficile même à grande échelle. »
Dans les expériences typiques, le meilleur outil pour atteindre l’unidirectionnalité utilise des aimants. Par exemple, presque tous les lasers ont un isolateur magnéto-optique qui laisse la lumière sortir du laser mais l’empêche de reculer, ce qui perturberait la fonctionnalité du laser. Alors que même les lasers peuvent être miniaturisés, le rétrécissement des isolateurs conventionnels est problématique pour deux raisons. Premièrement, dans les appareils compacts, les champs magnétiques affecteraient négativement les atomes voisins. Deuxièmement, même s’il y avait un moyen de contourner ce problème, les matériaux qui se trouvent à l’intérieur de l’isolateur ne fonctionnent pas aussi bien sur les plus petites échelles de longueur sur une puce.
L’équipe de Bahl a fait la démonstration d’un nouvel isolateur non magnétique qui s’avère de conception simple, utilise des matériaux optiques courants et est facilement adaptable à différentes longueurs d’onde de lumière.
« Nous voulions concevoir un appareil qui évite naturellement les pertes, et la meilleure façon de le faire est de faire se propager la lumière à travers rien. Le « rien » le plus simple qui puisse encore guider les photons le long d’un chemin contrôlé est un guide d’ondes, qui est un composant très basique des circuits photoniques », a déclaré Bahl.
Dans un système complet à base d’atomes, le guide d’ondes dirigerait la lumière laser à travers une série d’éléments vers une petite chambre contenant des atomes. Dans cet esprit, l’équipe a optimisé sa puce pour une utilisation avec une lumière de 780 nanomètres, qui est la longueur d’onde nécessaire pour configurer les capteurs communs à base de rubidium.
Ce n’est que la première moitié de la conception car pour l’isolement, la lumière doit être simultanément bloquée dans la direction opposée. Précédemment, l’équipe a montré qu’elle pouvait lancer des ondes sonores dans un circuit photonique pour briser le flux symétrique de lumière. Dans la nouvelle étude, l’équipe a transformé cette idée en une démonstration d’un élément de puce fonctionnel.
L’isolateur photonique complet contient un guide d’ondes et un résonateur annulaire adjacent, qui ressemble à une piste de course oblongue. Normalement, la lumière entrante passerait simplement du guide d’ondes dans le résonateur, quelle que soit sa direction, bloquant ainsi tout flux lumineux. Mais lorsque l’équipe a appliqué des ondes sonores à l’anneau, le résonateur n’a capturé que la lumière qui se déplaçait vers l’arrière à travers le guide d’ondes. Dans le sens direct, la lumière traversait le guide d’ondes sans entrave, comme si le résonateur n’était tout simplement pas là.
Les mesures de l’équipe ont révélé que presque tous les photons se déplacent à travers le guide d’ondes vers l’avant, tout en n’ayant qu’une chance sur dix mille de le faire vers l’arrière. Cela signifie que la conception a réduit les pertes, ou l’absorption de lumière indésirable, à presque zéro, ce qui était un problème de longue date avec les précédents isolateurs sur puce. Les données montrent que les nouveaux appareils présentent des performances record pour l’isolation sur puce et fonctionnent aussi bien que les plus grands appareils à base d’aimants. De plus, l’approche est flexible et peut être utilisée pour plusieurs longueurs d’onde sans changer le matériau de départ.
« La simplicité de fabrication est essentielle : avec notre approche, vous pouvez imprimer des isolateurs photoniques qui fonctionnent bien pour la longueur d’onde dont vous avez besoin, le tout sur la même puce en même temps. Ce n’est tout simplement pas possible avec d’autres approches aujourd’hui », a déclaré le co-auteur Ogulcan Orsel, étudiant diplômé en génie électrique à l’U of I.
Cela pourrait rendre le nouveau design utile pour d’autres applications, comme l’informatique quantique, où les champs magnétiques parasites et incontrôlés ainsi que la lumière indésirable peuvent éroder les performances globales de l’appareil.
Référence : « Isolation optique à commande électrique par division photonique à médiation par phonon Autler-Townes » par Donggyu B. Sohn, Ogulcan E. Örsel et Gaurav Bahl, 21 octobre 2021, Photonique de la nature.
DOI : 10.1038/s41566-021-00884-x
Le travail a été soutenu par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), le Bureau de la recherche scientifique de la Force aérienne (AFOSR), la National Science Foundation (NSF) et le Bureau de la recherche navale (ONR).
