Russie : création d’un laser microscopique UV de la taille d’une bactérie pour puces optiques

Un groupe de chercheurs originaires de Russie, de Biélorussie et de Chine a mis au point des lasers microscopiques reposant sur des substrats en saphir, capables d’émettre des rayons ultraviolets à température ambiante.

Ces dispositifs présentent des dimensions extrêmement réduites, d’environ deux micromètres, ce qui correspond à la taille d’une bactérie.

Selon le service de presse de l’École supérieure d’économie de Moscou, ces lasers peuvent être intégrés dans des capteurs, des puces optiques et des équipements de communication.

Edward Moiseev, chercheur principal au laboratoire international d’électronique quantique optique de cette école, a précisé : « Le saphir est largement utilisé dans l’industrie et peut être travaillé selon des méthodes classiques en microélectronique, telles que la croissance de couches, la gravure de motifs et le perçage d’éléments. Cela ouvre la voie à la fabrication de puces optiques compactes pour l’analyse spectrale, les capteurs biologiques et les systèmes de communication dans le spectre ultraviolet. »

Depuis plusieurs années, l’équipe scientifique s’efforce de développer des lasers ultras compacts pouvant être intégrés dans des circuits intégrés et des dispositifs miniaturisés comparables en taille aux globules rouges. La réalisation de cet objectif est particulièrement complexe, car réduire la taille du laser engendre rapidement des difficultés liées à la rétention de la lumière dans la cavité résonnante, structure dans laquelle la lumière est réfléchie et amplifiée à plusieurs reprises.

Les chercheurs ont récemment découvert que ce problème peut être contourné grâce à l’effet dit de la « galerie chuchotante » (whispering gallery), combiné à une couche isolante spécifique composée d’un mélange de nitrure d’aluminium et de nitrure d’aluminium-gallium dont la composition varie progressivement en fonction de l’épaisseur. Cette couche intermédiaire compense les contraintes mécaniques entre le substrat et les couches de nitrure de gallium et d’indium, tout en réduisant les fuites de rayonnement, ce qui permet au laser de fonctionner de manière stable même à très petite échelle.

Les essais réalisés sur ces structures ont démontré que l’utilisation de substrats en saphir permet la fabrication de lasers intégrés opérant dans le domaine des ultraviolets profonds. Ces lasers égalent les performances des meilleurs modèles intégrés existants, tout en présentant un diamètre d’émission d’à peine deux micromètres, soit une taille comparable à celle d’une bactérie.

Le terme « galerie chuchotante » provient d’un phénomène acoustique observé dans la coupole de la cathédrale Saint-Paul de Londres. Lorsqu’une personne chuchote contre un mur de la coupole, une autre située à l’opposé, à plusieurs dizaines de mètres, peut entendre distinctement le chuchotement.

Cela s’explique par le fait que les ondes sonores se réfléchissent successivement sur les parois courbes de la coupole et glissent le long de la surface sans perte d’énergie, comme si elles « marchaient » sur le mur.

Appliqué à la lumière et aux lasers, cet effet repose sur la réflexion interne totale. Lorsqu’un faisceau lumineux pénètre dans un objet circulaire très petit, tel qu’une sphère ou un disque en verre, la lumière est réfléchie à l’intérieur avec un angle très aigu, la faisant circuler autour du périmètre sans pouvoir s’échapper. Ainsi, le rayonnement est confiné dans une orbite circulaire minuscule.

Dans le cas des lasers microscopiques, la « galerie chuchotante » offre une solution au défi de la miniaturisation. Contrairement à un laser classique qui nécessite deux miroirs face à face pour piéger la lumière, dans un laser miniature en forme de disque ou de sphère, la surface courbe agit comme un miroir circulaire. La lumière réfléchie en interne circule dans cette orbite (effet de galerie chuchotante) et reste confinée suffisamment longtemps pour s’amplifier et produire un laser, sans besoin d’espace important ni de miroirs externes.

C’est cette propriété qui a permis aux scientifiques de concevoir un laser d’à peine deux micromètres, plus petit qu’un globule rouge, tout en conservant une efficacité élevée.