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Publié le 5 février 2021

Développement d’un modulateur optique ultra-rapide pour l'infrarouge moyen

Les applications exploitant le rayonnement dans la gamme spectrale de l’infrarouge moyen (MIR) se développent à un rythme rapide, avec des liens clairs avec les applications environnementales. Les caméras MIR ont propulsé le domaine de l'imagerie thermique, qui permet d'optimiser et de réduire la dissipation thermique. Et l'invention du laser à cascade quantique (QCL) a rendu disponibles des sources laser infrarouges moyennes compactes, pour la spectroscopie de gas à l’état de trace.

Toutes les avancées récentes sont liées au développement de composants optiques révolutionnaires. Une fonctionnalité cruciale pour la plupart des systèmes photoniques est la capacité de moduler électriquement l'amplitude d'un faisceau à des vitesses ultra-rapides, de l'ordre du GHz ou plus. Bien que cette technologie existe pour des longueurs d'onde plus courtes, la modulation ultra-rapide d'un faisceau MIR est un problème qui n'a pas de solution pratique adéquate.

Dans un article récemment publié dans la revue Nature Communications, une équipe de chercheurs du C2N, en collaboration avec une équipe Italienne du CNR-IOM, a démontré un modulateur d'amplitude en espace libre pour le rayonnement infrarouge moyen ( = 10 m) qui peut fonctionner jusqu'à au moins 1.5 GHz et à température ambiante [1].

Une structure semiconductrice spécifiquement conçue a été mise en œuvre pour fonctionner dans la plage de longueurs d'onde appropriée. Par la suite, cette région active a été introduite dans une cavité métallique qui permet d'augmenter considérablement l'interaction entre la lumière et la matière et d'atteindre le régime dit de « couplage fort ».
Le dispositif exploite alors un champ électrique pour faire osciller le système entre ce régime de couplage fort et celui – standard – de couplage faible à des taux ultra-rapides. Lorsqu'un laser est focalisé sur le dispositif, le faisceau laser réfléchi est modulé.

Au-delà des possibilités applicatives claires qui s'ouvrent, cette invention lie d’une manière élégante un phénomène physique fondamental et une application utile.
(a) Schéma de la géométrie du modulateur : la région active est introduite dans une structure métal – métal. Avec l’application d’une polarisation externe, l'amplitude du faisceau réfléchi est modulée.
(b) Vue schématique du principe de fonctionnement du modulateur : sans polarisation appliquée, le système fonctionne en couplage fort. Deux branches polaritoniques sont visibles dans le spectre de réflectance. En appliquant un voltage spécifique, un nombre arbitraire de puits quantiques est vidé d’électrons et le système fonctionne en régime de couplage faible: le mode de cavité seulement est visible en réflectance.
(c) Signaux sur l’analyseur de spectre obtenus lorsque l'échantillon est alimenté avec des fréquences de modulation de 100 MHz, 500 MHz, 1 GHz et 1,5 GHz en haut à gauche. Le modulateur fonctionne jusqu'à au moins 1.5 GHz.


References
[1] "Fast amplitude modulation up to 1.5 GHz of mid-IR free-space beams at room- temperature",
S. Pirotta, N.-L. Tran, A. Jollivet, G. Biasol, P. Crozat, J.-M. Manceau, A. Bousseksou and
R. Colombelli
Nat. Communications, in press (2021). [https://arxiv.org/abs/2006.12215]
DOI : XXX

1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), CNRS / Université Paris-Saclay, Palaiseau
2 Laboratorio TASC, CNR-IOM, Trieste