Un nouveau mécanisme utilise un cristal photonique pour concentrer la lumière sur une puce

Concentrer la lumière dans un volume aussi petit que la longueur d’onde elle-même est un défi qui est crucial pour de nombreuses applications. Les chercheurs d’Amolf, de Tu Delft et de l’Université Cornell aux États-Unis ont démontré une nouvelle façon de se concentrer sur une échelle extrêmement petite. Leur méthode utilise des propriétés spéciales d’un cristal photonique et fonctionne pour un spectre plus large de longueurs d’onde que les méthodes alternatives. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans Avancées scientifiques le 18 avril.

La concentration de lumière est importante pour diverses applications technologiques sur les puces photoniques, telles que la communication quantique, les capteurs optiques et les lasers sur puce. “Jusqu’à présent, nous connaissions deux stratégies générales pour concentrer la lumière: cela peut être fait en utilisant des cavités optiques, ou avec des guides d’ondes qui compriment la lumière comme un entonnoir”, explique Ewold Verhagen, leader du groupe Amolf.

“La première méthode utilise la résonance, qui limite la focalisation ou la concentration de la lumière à une longueur d’onde spécifique. La deuxième méthode fonctionne, similaire à une lentille traditionnelle, uniquement dans un appareil beaucoup plus grand que la longueur d’onde de la lumière utilisée.”

Bloquer la lumière

Une idée théorique des chercheurs de l’Université Cornell, dirigée par Gennady Shvets, a souligné la nouvelle méthode que le doctorat. Le candidat Daniel Muis et ses collègues ont maintenant démontré pour la première fois. Un aspect important de la méthode est la soi-disant topologie du système physique.

MUIS explique: “Nous utilisons des cristaux photoniques, qui sont des dalles de silicium avec un motif régulier de très petits trous, qui interdisant la propagation de la lumière dans la dalle de silicium, en principe. Mais, lorsque nous plaçons deux de ces cristaux avec un motif miroir côte à côte. La réflexion de la lumière par les imperfections dans le cristal est supprimée. “

Les chercheurs se sont demandé ce qui se passerait s’ils finissaient brusquement un tel guide d’ondes, avec un “mur” de matériau que la lumière ne peut pas traverser. “Étant donné que la lumière n’a nulle part où aller et que les réflexions sont supprimées, elle devrait s’accumuler devant ce mur”, explique Muis. “La lumière fait finalement rebondir à travers le guide d’ondes, mais seulement après un retard. Cela se traduit par une amplification locale du champ de lumière.”

Concentration légère

Les groupes de Verhagen à Amolf et Kobus Kuipers de Tu Delft ont décidé de vérifier les prédictions dans une expérience avec les chercheurs de Cornell. Les guides d’ondes topologiques ont été fabriqués sur une puce de silicium à Amolf. Pour visualiser l’accumulation prévue de lumière dans le cristal photonique, MUIS a utilisé un microscope unique à Tu Delft qui scanne les champs lumineux via une aiguille ultra-mince au-dessus de la surface du cristal. Ce microscope peut localiser l’intensité de la lumière sur une échelle environ 1 000 fois plus petite que l’épaisseur des cheveux humains.

“Nous avons en effet vu une amplification claire du champ lumineux à la fin du guide d’ondes topologique. Fait intéressant, cela ne s’est produit que lorsque le« mur »terminant le guide d’onde a été placé à un certain angle. C’est exactement ce que nos partenaires de Cornell avaient prédit», explique Muis.

“Cela prouve que l’amplification lumineuse est liée à la suppression topologique de la réflexion du dos. L’amplification lumineuse est concentrée dans un très petit volume, aussi petite que la longueur d’onde de la lumière elle-même. Un avantage majeur de cette méthode est qu’il est intrinsèquement large à bande: il fonctionne pour plusieurs longueurs d’onde différentes.”

L’article dans Avancées scientifiquesavec des contributions égales de MUIS et de son collègue Cornell Yandong Li, peut être lu comme une recette pour des recherches supplémentaires ou des applications de cette forme d’amplification légère sur une puce. Le mécanisme démontré doit également s’appliquer à tout autre type d’onde dans un milieu structuré, y compris des ondes sonores ou même des électrons dans des cristaux spécifiques.

MUIS dit: “Pour une prochaine étape, il serait intéressant d’utiliser un laser pulsé pour regarder l’intervalle de temps dans lequel la lumière continue de s’accumuler, pour voir dans quelle mesure l’amplification du champ peut être maximisée et l’utiliser pour des applications dans la manipulation de la lumière sur les puces optiques.”