Laser électro-optique révolutionnaire : 30 GHz pour imagerie et communications ultra-rapides

• Le nouveau laser électro-optique est 100 fois plus rapide que les lasers ultrarapides conventionnels.
• Le système est fiable et produit des impulsions précises et stables à 30 GHz.
• Il peut être utilisé en imagerie biologique/chimique et pour implémenter des réseaux de communication plus rapides.

Les lasers ultrarapides génèrent une série d'impulsions lumineuses qui durent jusqu'à quelques femtosecondes. Ils peuvent fonctionner comme des peignes de fréquence pour fournir une référence de fréquence et de temps reliant les domaines micro-ondes et optiques du spectre électromagnétique.

Puisque la phase de ces impulsions peut être contrôlée, cela a une variété d'applications allant du pilotage d'états quantiques de la matière aux horloges atomiques optiques. Bien que les capacités des lasers ultrarapides se soient améliorées au fil des ans, ils nécessitent une stabilité intégrale du résonnateur verrouillé en mode.

Maintenant, des chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont proposé une approche alternative qui génère une série d'impulsions optiques sans verrouillage de mode. Ils l'appellent laser électro-optique qui émet des impulsions 100 fois plus rapides que le laser ultrarapide traditionnel. Fondamentalement, c'est une modulation électro-optique d'un laser développée avec de l'électronique courante.

En quoi diffère-t-il des lasers ultrarapides ?

Bien que l'idée de construire un laser électro-optique soit assez simple et que la technologie existe depuis près de 50 ans, les scientifiques n'ont pas réussi à commuter la lumière pour émettre des impulsions ultrarapides tout en éliminant les interférences électroniques.

Habituellement, la méthode de verrouillage de mode implique de faire rebondir la lumière d'avant en arrière dans une cavité miroirée de manière à ce que les ondes interfèrent constructivement entre elles pour produire de courtes impulsions. Cependant, la nouvelle technique fonctionne sur un mécanisme plus direct : elle découpe un faisceau laser continu en impulsions séparées, réduisant les interférences induites par la chaleur.

Au fur et à mesure que les signaux rebondissent à l'intérieur de la cavité, des ondes fixes apparaissent aux fréquences les plus élevées, bloquant toutes les autres fréquences. La stabilisation et la filtration du signal sont effectuées dans cette cavité.

Plus spécifiquement, ils ont utilisé un laser infrarouge (émettant une onde continue) pour générer des impulsions avec un oscillateur stabilisé par une cavité personnalisée. Toutes les impulsions sont uniformes et passent à travers une structure de guide d'ondes sur puce pour produire différentes couleurs dans le peigne de fréquence.

Référence : ScienceMag | doi:10.1126/science.aat6451 | NIST

Un peigne de fréquence optique est utilisé comme source dans la lumière ultrarapide traditionnelle. De tels peignes sont construits avec des lasers verrouillés en mode qui créent des impulsions à partir de plusieurs couleurs d'ondes lumineuses se chevauchant et formant des liens entre les fréquences micro-ondes et optiques. Le laser électro-optique, en revanche, applique des vibrations électroniques sur un laser infrarouge, façonnant efficacement les impulsions dans la lumière.

Le laser électro-optique isole la lumière de fréquences particulières pour former un peigne de fréquence de différentes couleurs | David Carlson/NIST

Les lasers verrouillés en mode génèrent des impulsions toutes les 10 nanosecondes, tandis que le laser électro-optique ne met que 100 picosecondes pour générer une impulsion (100 fois plus rapide).

Applications

Pour construire le laser électro-optique, les chercheurs ont choisi d'utiliser uniquement des instruments micro-ondes et de télécommunications disponibles dans le commerce. Cela rend le système plus fiable. De plus, sa stabilité et sa précision sont assez bonnes, le rendant adapté aux systèmes de communication plus rapides et à la mesure à long terme des réseaux d'horloges optiques.

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De plus, ce type de laser peut être utilisé en imagerie biologique et chimique pour accélérer des types spécifiques d'imagerie de tissus/chimiques. Par exemple, l'imagerie hyperspectrale qui prend habituellement une minute pourrait être réalisée en temps réel.