Des scientifiques de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) ont mis au point un nouveau type de puce photonique, de la taille d'un ongle, capable de produire des lasers dans tout un arc-en-ciel de couleurs. Cette puce traite la lumière d'une manière similaire à celle dont les puces traditionnelles traitent les électrons, en intégrant sur un espace minuscule des lasers émettant une multitude de longueurs d'onde, formant ainsi un « circuit intégré » photonique. Elle promet d'insuffler une nouvelle dynamique à des technologies de pointe telles que l'intelligence artificielle, l'informatique quantique et les horloges atomiques optiques. Les travaux associés ont été publiés dans le dernier numéro de la revue Nature.
Actuellement, les lasers de haute qualité, compacts et efficaces ne peuvent souvent émettre qu'un petit nombre de longueurs d'onde. Par exemple, les lasers à semi-conducteurs excellent à produire une lumière infrarouge de 980 nanomètres. En revanche, des technologies comme les horloges atomiques optiques et les ordinateurs quantiques nécessitent une multitude de sources lumineuses ; les lasers traditionnels capables de produire ces couleurs sont encombrants, coûteux et extrêmement énergivores.
La nouvelle puce photonique mise au point ressemble à un délicat gâteau à mille couches. L'équipe a utilisé comme substrat une plaquette standard de silicium recouverte de dioxyde de silicium (verre) et de niobate de lithium — un matériau optique non linéaire qui peut modifier la couleur de la lumière qui le traverse. Ensuite, des électrodes métalliques ont été ajoutées, permettant, via l'application d'un champ électrique, de transformer une couleur de lumière en une autre. L'équipe a également construit d'autres interfaces entre des métaux et le niobate de lithium pour permettre une commutation et un contrôle rapides des signaux lumineux à l'intérieur de la puce — une capacité essentielle pour le traitement des données et le routage à haute vitesse. La « cerise sur le gâteau » la plus fascinante est le second matériau non linéaire : le pentoxyde de tantale. Celui-ci possède une sorte de « magie » : absorbant un laser d'une seule couleur, il peut en « restituer » sous forme d'un arc-en-ciel de multiples couleurs.
En empilant différents matériaux en trois dimensions, l'équipe a créé une puce photonique permettant à la lumière de circuler efficacement entre les couches. Chaque puce renferme des dizaines de milliers de circuits photoniques, chaque circuit étant capable de produire une couleur unique.
Outre son utilisation dans les ordinateurs quantiques et les horloges optiques, cette puce photonique pourrait également servir à établir des canaux à haute vitesse pour la transmission de signaux entre puces spécialisées, rendant ainsi les outils d'intelligence artificielle plus puissants et plus efficaces.