Dernières découvertes dans les lasers à nanostructures quantiques pour les sciences et technologies de l'information

mercredi 25 août 2021

Les nanostructures quantiques sont des atomes semi-conducteurs qui permettent de réaliser des dispositifs photoniques de haute performance. Dans un nouvel article de review publié dans Light: Science & Application (Nature Publishing Group), une équipe de scientifiques, dirigée par le professeur Frédéric Grillot de Télécom Paris, Institut Polytechnique de Paris, et ses collaborateurs ont passé en revue leurs récentes découvertes sur les dispositifs lasers exploitant de telles nanostructures.

L’Internet des objets (IoT) est l’interconnexion entre l’Internet et des objets, des lieux et des environnements physiques : téléphones, ordinateurs, voitures, bâtiments, usines ; tous équipés d’électronique, de logiciels, de capteurs et de connectivité. Dans les réseaux optiques 5G et 6G, les communications à haut débit et à faible latence permettent l’interconnexion entre une grande variété de points grâce à l’IoT.

Les technologies quantiques, quant à elles, sont en passe de révolutionner l’avenir de l’Internet en permettant des transmissions de données considérablement plus rapides et plus sûres grâce à de nouveaux protocoles de cryptage basés sur les lois de la physique quantique.

Toutes ces applications clés requièrent néanmoins l’utilisation de sources lasers de plus en plus performantes afin d’effectuer des opérations toujours plus complexes et permettre des communications haut-débit, sécurisées et peu gourmandes en énergie.

Pour atteindre de tels objectifs, les boîtes et les bâtonnets quantiques constituent une classe de nanostructures qui permettent de réaliser des émetteurs de lumière de haute performance. Grâce à leurs niveaux d’énergie discrets, ces lasers présentent des caractéristiques uniques telles que la stabilité thermique, l’insensibilité aux rétroactions et la pureté spectrale. Ils peuvent trouver place dans plusieurs applications comme les communications cohérentes, les horloges atomiques optiques, la spectroscopie et les systèmes photoniques intégrés sur silicium.

Légende: Structure et évolution de la densité des états pour les structure à semi-conducteurs avec différents niveaux de dimensionnalité. (a-1, a-2) masse globale, (b-1, b-2) puits quantique (QW), (c-1, c-2) tiret quantique (QDash), (d-1, d-2) boîte quantique (QD). Image microscopique : (e-1) tiret quantique (e-2) boîte quantique.

« En raison de la forte densité d’intégration sur un circuit photonique, les lasers à semi-conducteurs sont relativement sensibles aux rétroactions optiques qui sont induites par la proximité avec d’autres composants optoélectroniques. Nous avons prouvé que les lasers à boîtes quantiques sont insensibles à ces rétroactions, ce qui constitue un résultat majeur pour l’intégration de ces sources dans un environnement silicium dépourvu d’isolateur optique », indiquent les chercheurs. Une autre caractéristique particulière des boîtes quantiques résulte de leurs grandes non-linéarités optiques avec une vitesse de réponse rapide ce qui est intéressant pour la réalisation de peignes de fréquences optiques ou pour la production de lumière impulsionnelle, toujours sur puce silicium.

Légende : Les boîtes quantiques sont l’un des meilleurs exemples pratiques des nanotechnologies. Grâce à leurs niveaux d’énergie discrets, ces lasers présentent des caractéristiques uniques telles que la stabilité thermique, l’insensibilité à la rétroaction et la pureté spectrale. GaAs est l’arséniure de gallium, un semi-conducteur. InGaAs est l’arséniure d’indium et de gallium, un alliage de deux semi-conducteurs : l’arséniure d’indium et l’arséniure de gallium.

« A l’avenir, on peut aussi exploiter les boîtes quantiques pour générer des états comprimés de la lumière afin d’obtenir des sources fonctionnant bien en dessous de la limite quantique standard. Cet axe de recherche est fondamental pour la métrologie de grande précision ou la spectroscopie à haute résolution par exemple. En outre, pour la distribution de clés quantiques (QKD) reposant sur l’utilisation de photons intriqués, la génération d’états fortement comprimés de la lumière permettra des transmissions plus rapide », estiment les scientifiques.

Sur la base des résultats présentés dans cet article, les scientifiques, les chercheurs et les ingénieurs pourront juger en connaissance de cause de l’utilisation des nanostructures quantiques pour des applications allant des technologies silicium intégrées aux futurs systèmes d’information quantiques.

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Frédéric Grillot, Jianan Duan, Bozhang Dong and Heming Huang

Uncovering recent progress in nanostructured light-emitters for information and communication technologies, Light: Science & Applications, (2021)

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00598-3

Image d’illustration : Statline / Freepik.com