De nouveaux puces photoniques transforment passivement la lumière laser en plusieurs couleurs à la demande.

16 novembre 2025

par Chris Cesare, Joint Quantum Institute

édité par Andrew Zinin

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Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont progressé rapidement dans l'utilisation de la lumière pour permettre toutes sortes d'applications scientifiques et industrielles. De la création d'horloges extrêmement précises au traitement des pétaoctets d'informations circulant dans les centres de données, la demande de technologies clés en main capables de générer et de manipuler de manière fiable la lumière est devenue un marché mondial valant des centaines de milliards de dollars.

Un défi qui a entravé les scientifiques est la création d'une source compacte de lumière qui s'intègre sur une puce, ce qui la rend beaucoup plus facile à intégrer avec le matériel existant. En particulier, les chercheurs ont depuis longtemps cherché à concevoir des puces capables de convertir une couleur de lumière laser en un arc-en-ciel de couleurs supplémentaires, un ingrédient nécessaire pour la construction de certains types d'ordinateurs quantiques et pour réaliser des mesures précises de fréquence ou de temps.

Maintenant, des chercheurs du JQI ont conçu et testé de nouvelles puces qui convertissent de manière fiable une couleur de lumière en un trio de teintes. Remarquablement, les puces fonctionnent toutes sans aucune entrée active ou optimisation minutieuse, ce qui constitue une amélioration majeure par rapport aux méthodes précédentes. L'équipe a décrit ses résultats dans la revue Science le 6 novembre 2025.

Les nouvelles puces sont des exemples de dispositifs photoniques, qui peuvent confiner des photons individuels, les particules quantiques de la lumière. Les dispositifs photoniques divisent, dirigent, amplifient et interfèrent avec des flux de photons, tout comme les dispositifs électroniques manipulent le flux d'électrons.

"Un des principaux obstacles à l'utilisation de la photonique intégrée comme source de lumière sur puce est le manque de polyvalence et de reproductibilité", explique le chercheur du JQI, Mohammad Hafezi, qui est également professeur en génie électrique et informatique à l'Université du Maryland. "Notre équipe a fait un pas significatif vers la résolution de ces limitations".

Les nouveaux dispositifs photoniques sont plus que de simples prismes. Un prisme divise la lumière multicolore en ses couleurs ou fréquences composantes, tandis que ces puces ajoutent entièrement de nouvelles couleurs qui ne sont pas présentes dans la lumière entrante. La capacité de générer de nouvelles fréquences de lumière directement sur une puce permet d'économiser l'espace et l'énergie qui seraient normalement pris par des lasers supplémentaires. Et peut-être plus important encore, dans de nombreux cas, les lasers qui brillent aux nouvelles fréquences générées n'existent même pas.

La capacité de générer de nouvelles fréquences de lumière sur une puce nécessite des interactions spéciales que les chercheurs ont appris à concevoir depuis des décennies. Habituellement, les interactions entre la lumière et un dispositif photonique sont linéaires, ce qui signifie que la lumière peut être courbée ou absorbée, mais sa fréquence ne changera pas (comme avec un prisme). En revanche, les interactions non linéaires se produisent lorsque la lumière est concentrée de manière si intense qu'elle modifie le comportement du dispositif, ce qui modifie à son tour la lumière. Cette rétroaction peut générer une multitude de fréquences différentes, qui peuvent être collectées depuis la sortie de la puce et utilisées pour la mesure, la synchronisation ou diverses autres tâches.

Malheureusement, les interactions non linéaires sont normalement très faibles. Une des premières observations d'un processus optique non linéaire a été rapportée en 1961, et elle était tellement faible qu'une personne impliquée dans le processus de publication a confondu les données clés avec une tache et les a retirées de la figure principale de l'article. Cette tache était la subtile signature de la génération de second harmonique, où deux photons à une fréquence plus basse sont convertis en un photon avec le double de la fréquence. Des processus connexes peuvent tripler la fréquence de la lumière entrante, la quadrupler, et ainsi de suite.

Depuis cette première observation de la génération de second harmonique, les scientifiques ont découvert des moyens d'augmenter la force des interactions non linéaires dans les dispositifs photoniques. Dans la démonstration initiale, l'état de l'art se limitait simplement à projeter un laser sur un morceau de quartz, en exploitant les propriétés électriques naturelles du cristal. Aujourd'hui, les chercheurs s'appuient sur des puces méticuleusement conçues avec des résonateurs photoniques. Les résonateurs guident la lumière dans des cycles serrés, lui permettant de circuler des centaines de milliers voire des millions de fois avant d'être libérée. Chaque trajet unique à travers un résonateur ajoute une interaction non linéaire faible, mais de nombreux trajets se combinent pour obtenir un effet beaucoup plus fort. Cependant, il y a encore des compromis lorsque l'on essaie de produire un ensemble particulier de nouvelles fréquences en utilisant un seul résonateur.

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« Si vous voulez simultanément avoir une génération de deuxième harmonique, une génération de troisième harmonique, une génération de quatrième harmonique—cela devient de plus en plus difficile », déclare Mahmoud Jalali Mehrabad, l'auteur principal de l'article et ancien chercheur postdoctoral au JQI, maintenant chercheur scientifique au MIT. « Généralement, on compense, ou on sacrifie l'un d'entre eux pour obtenir une bonne génération de troisième harmonique mais ne peut pas obtenir une génération de deuxième harmonique, ou vice versa. »

Dans le but d'éviter certains de ces compromis, Hafezi et le Fellow du JQI Kartik Srinivasan, avec le professeur de génie électrique et informatique Yanne Chembo de l'Université du Maryland (UMD), ont déjà innové des façons d'amplifier les effets non linéaires en utilisant un ensemble de petits résonateurs qui fonctionnent tous en concert. Ils ont montré dans des travaux antérieurs comment une puce avec des centaines d'anneaux microscopiques disposés en un réseau de résonateurs peut amplifier les effets non linéaires et guider la lumière autour de son bord. L'année dernière, ils ont montré qu'une puce structurée avec une telle grille pouvait transmuter un laser pulsé en un peigne de fréquences emboîté—de la lumière avec de nombreuses fréquences également espacées utilisée pour toutes sortes de mesures de haute précision. Cependant, il a fallu de nombreuses itérations pour concevoir des puces avec la bonne forme pour générer le peigne de fréquences précis qu'ils recherchaient, et seulement certaines de leurs puces ont réellement fonctionné.

Le fait que seule une fraction des puces ait fonctionné indique la nature exaspérante du travail avec des dispositifs non linéaires. La conception d'une puce photonique nécessite d'équilibrer plusieurs éléments pour générer un effet comme le doublement de fréquence. Premièrement, pour doubler la fréquence de la lumière, un résonateur non linéaire doit supporter à la fois la fréquence originale et la fréquence doublée. Tout comme une corde de guitare pincée ne vibrera que sur certains tons, un résonateur optique n'héberge que des photons à certaines fréquences, déterminées par sa taille et sa forme. Mais une fois que vous avez conçu un résonateur avec ces fréquences verrouillées, vous devez également vous assurer qu'elles circulent autour du résonateur à la même vitesse. Sinon, elles perdront leur synchronisation, et l'efficacité de la conversion en souffrira.

Ensemble, ces exigences sont connues sous le nom de conditions d'ajustement de fréquence et de phase. Pour produire un dispositif utile, les chercheurs doivent simultanément organiser ces deux conditions pour qu'elles correspondent. Malheureusement, de petites différences de quelques nanomètres de puce à puce—que même les meilleurs fabricants de puces au monde ne peuvent éviter—décaleront légèrement les fréquences de résonance ou changeront la vitesse à laquelle elles circulent. Ces petits changements suffisent à diluer les paramètres finement ajustés dans une puce et à rendre la conception inutile pour la production de masse.

Un des auteurs a comparé le dilemme à la probabilité de repérer une éclipse solaire. « Si vous voulez vraiment voir l'éclipse, cela signifie que si vous regardez dans le ciel, la lune doit chevaucher le soleil », explique Lida Xu, co-premier auteur et étudiante diplômée en physique au JQI. Obtenir des effets non linéaires fiables à partir de puces photoniques nécessite un type similaire de rencontre fortuite.

De légères désalignements dans les conditions d'ajustement de fréquence et de phase peuvent être surmontés avec une compensation active qui ajuste les propriétés du matériau d'un résonateur. Mais cela implique d'incorporer de petits chauffages intégrés—une solution qui complique la conception et nécessite une alimentation électrique séparée.

Dans le nouveau travail, Xu, Mehrabad et leurs collègues ont découvert que l'ensemble de résonateurs utilisé dans les travaux précédents augmentait déjà les chances de satisfaire les conditions d'ajustement de fréquence et de phase d'une manière passive—c'est-à-dire sans utiliser de compensation active ou de nombreux cycles de conception. Au lieu d'essayer d'ingénier les fréquences précises qu'ils voulaient créer et de modifier la conception de la puce dans l'espoir d'en obtenir une qui fonctionne, ils ont pris du recul et ont considéré si l'ensemble de résonateurs produisait des effets non linéaires stables sur toutes les puces. Lorsqu'ils ont vérifié, ils ont eu la bonne surprise de constater que leurs puces généreraient des deuxième, troisième et même quatrième harmoniques pour la lumière entrante avec une fréquence d'environ 190 THz—une fréquence standard utilisée dans les télécommunications et la communication par fibre optique.

En creusant dans les détails, ils ont réalisé que la raison pour laquelle tous leurs puces fonctionnaient était liée à la structure de leur réseau de résonateurs. La lumière circulait rapidement autour des petits anneaux du réseau, ce qui créait une échelle de temps rapide. Mais il y avait aussi un 'super-anneau' formé par tous les petits anneaux, et la lumière y circulait plus lentement. Avoir ces deux échelles de temps dans la puce avait un effet important sur les conditions de correspondance de fréquence-phase qu'ils n'avaient pas apprécié auparavant. Au lieu de devoir compter sur une conception méticuleuse et une compensation active pour créer une condition de correspondance fréquence-phase particulière, les deux échelles de temps offrent aux chercheurs plusieurs opportunités pour favoriser les interactions nécessaires. En d'autres termes, les deux échelles de temps offrent essentiellement la correspondance fréquence-phase gratuitement.

Les chercheurs ont testé six puces différentes fabriquées sur la même tranche en envoyant de la lumière laser à la fréquence standard de 190 THz, en imagant une puce depuis le dessus et en analysant les fréquences sortant d'un port de sortie. Ils ont constaté que chaque puce générait effectivement les harmoniques deuxième, troisième et quatrième, qui pour leur laser d'entrée correspondaient à la lumière rouge, verte et bleue. Ils ont également testé trois dispositifs à un seul anneau. Même en incluant des éléments chauffants intégrés pour une compensation active, ils n'ont observé la génération d'harmoniques deuxième que pour un seul dispositif sur une plage étroite de température du chauffage et de fréquence d'entrée. En revanche, les réseaux de résonateurs à deux échelles de temps n'avaient pas de compensation active et fonctionnaient sur une plage relativement large de fréquences d'entrée. Les chercheurs ont même montré qu'en augmentant l'intensité de leur lumière d'entrée, les puces ont commencé à produire davantage de fréquences autour de chacune des harmoniques, rappelant le peigne de fréquences imbriquées créé dans un résultat antérieur.

Les auteurs affirment que leur cadre pourrait avoir des implications importantes dans les domaines où l'optique intégrée est déjà utilisée, notamment en métrologie, conversion de fréquence et informatique optique non linéaire. Et tout cela peut se faire sans les tracas d'un accord actif ou d'une ingénierie précise pour satisfaire aux conditions de correspondance fréquence-phase.

'Nous avons simultanément considérablement simplifié ces problèmes d'alignement, et de manière passive', déclare Mehrabad. 'Nous n'avons pas besoin de chauffages; nous n'avons pas de chauffages. Ça fonctionne simplement. Cela résout un problème de longue date.'

En plus de Mehrabad, Hafezi, Srinivasan (qui est également membre de l'Institut national des normes et de la technologie), Chembo et Xu, l'article avait plusieurs autres auteurs : Gregory Moille, chercheur associé à JQI ; Christopher Flower, ancien étudiant diplômé de JQI devenu chercheur au Laboratoire de recherche naval ; Supratik Sarkar, étudiant diplômé en physique à JQI ; Apurva Padhye, étudiant diplômé en physique à JQI ; Shao-Chien Ou, étudiant diplômé en physique à JQI ; Daniel Suarez-Forero, ancien chercheur postdoctoral de JQI devenu professeur adjoint de physique à l'Université du Maryland, comté de Baltimore ; et Mahdi Ghafariasl, chercheur postdoctoral à JQI.

Plus d'informations : Mahmoud Jalali Mehrabad et al, Correspondance fréquence-phase à plusieurs échelles de temps pour l'optique non linéaire à haut rendement, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adu6368

Informations sur la revue : Science

Fourni par l'Institut quantique commun