Les chercheurs ont réalisé une percée dans la photonique intégrée, en développant des puces qui convertissent de manière fiable une seule couleur laser en un spectre de nouvelles teintes sans nécessiter de réglage actif ou de fabrication précise. Cette approche passive surmonte une limitation de longue date dans le domaine, offrant une voie plus simple et plus robuste pour générer diverses fréquences lumineuses sur une puce. Les résultats, publiés dans Science le 6 novembre 2025, ont des implications pour la métrologie, l’optique non linéaire et le développement de dispositifs photoniques avancés.
Le défi de la génération de lumière sur puce
Depuis des décennies, les scientifiques cherchent des moyens de créer des sources lumineuses compactes et polyvalentes directement sur des puces. Les méthodes traditionnelles nécessitent souvent une ingénierie précise et une compensation active pour gérer les interactions non linéaires, le processus par lequel la lumière modifie le comportement des matériaux pour générer de nouvelles fréquences. Ces interactions sont généralement faibles et sensibles aux variations, même mineures, dans la fabrication des puces, ce qui rend la production de masse difficile. La possibilité de générer de nouvelles fréquences lumineuses directement sur une puce permet d’économiser de l’espace et de l’énergie et évite d’avoir recours à des lasers supplémentaires qui peuvent même ne pas exister pour certaines longueurs d’onde.
Réseaux de résonateurs à deux échelles de temps : une solution passive
La nouvelle avancée vient d’une équipe du Joint Quantum Institute (JQI) et de l’Université du Maryland. Les chercheurs ont découvert qu’une conception de puce spécifique (un ensemble de résonateurs optiques microscopiques) favorise naturellement des interactions non linéaires efficaces sans réglage actif. La clé est la structure elle-même, qui crée deux échelles de temps distinctes pour la circulation de la lumière. Les anneaux plus petits au sein du réseau font circuler la lumière rapidement, tandis que l’ensemble du réseau agit comme un résonateur plus grand et plus lent. Cet arrangement à double échelle de temps assouplit les conditions strictes d’adaptation fréquence-phase qui affectent généralement les dispositifs non linéaires.
Comment ça marche : correspondance fréquence-phase relaxante
L’adaptation fréquence-phase fait référence à l’alignement précis des fréquences lumineuses et de leurs vitesses au sein d’un résonateur. Si ces conditions ne sont pas remplies, l’interaction non linéaire s’affaiblit ou disparaît. Traditionnellement, les chercheurs ont utilisé des radiateurs intégrés ou une fabrication méticuleuse pour parvenir à cet alignement. Le réseau de résonateurs à deux échelles de temps contourne ce besoin. Les doubles échelles de temps offrent de multiples opportunités pour que les interactions nécessaires se produisent passivement, indépendamment des variations mineures de fabrication.
Résultats expérimentaux : performances constantes
L’équipe a testé six puces fabriquées sur la même plaquette, envoyant une lumière laser à 190 THz (une fréquence standard des télécommunications). Les six puces généraient systématiquement des deuxième, troisième et même quatrième harmoniques (lumière rouge, verte et bleue) sans aucun réglage actif. En revanche, les dispositifs à anneau unique avec compensation active ne produisaient la génération de secondes harmoniques que dans une plage étroite de conditions. Les réseaux à deux échelles de temps ont fonctionné de manière fiable sur une gamme plus large de fréquences d’entrée, montrant même des signes de génération de peignes de fréquences imbriqués à des intensités plus élevées.
Implications pour la photonique et la recherche future
Cette avancée simplifie la conception et la fabrication des dispositifs photoniques, les rendant plus accessibles et plus robustes. L’approche passive est particulièrement pertinente pour les applications en métrologie, en conversion de fréquence et en calcul optique non linéaire. L’équipe souligne que le réseau de résonateurs à deux échelles de temps offre une solution fiable à un problème de longue date dans ce domaine.
« Nous avons simultanément atténué ces problèmes d’alignement dans une large mesure, et également de manière passive », déclare l’auteur principal Mahmoud Jalali Mehrabad. “Nous n’avons pas besoin de radiateurs ; nous n’avons pas de radiateurs. Ils fonctionnent simplement.”
Les chercheurs suggèrent que cette approche pourrait ouvrir la voie à des dispositifs photoniques plus polyvalents et plus rentables, accélérant ainsi le développement de technologies avancées reposant sur une manipulation précise de la lumière.
La recherche a été menée par une équipe du JQI et de l’Université du Maryland, comprenant Lida Xu, Gregory Moille, Christopher Flower, Supratik Sarkar, Apurva Padhye, Shao-Chien Ou, Daniel Suarez-Forero, Mahdi Ghafariasl, Kartik Srinivasan, Mohammad Hafezi et Yanne Chembo.
