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OPO : le petit frère du laser se miniaturise

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Jérôme Tignon de l'équipe "Optique cohérente et non linéaire" du Laboratoire Pierre Aigrain (Ecole Normale Supérieure - Université Paris 6 - CNRS) a mis au point un micro-OPO (Oscillateur Paramétrique Optique). Ce "petit frère" du laser, jusqu'alors essentiellement réservé à la recherche fondamentale à cause de la taille et de la complexité des dispositifs de laboratoires impliqués, possède des applications potentielles très importantes dans le codage des informations. Sa déclinaison sous forme de nanostructure devrait permettre de développer des systèmes de transmission inviolables aux applications nombreuses, notamment pour la transmission de données confidentielles, en particulier par Internet.

Mesure de l'émission résolue en angle en régime d'oscillation paramétrique. L'échelle de couleur correspond à l'intensité d'émission. Le faisceau de pompe, visible à 0° est indiqué par la flèche centrale. L'émission du signal et du complémentaire (idler)

Ces travaux, qui ont fait l'objet d'une demande de dépôt de brevet soutenue par le CNRS, sont publiés dans Nature du 13 avril 2006. Le premier prototype a été fabriqué par épitaxie par jets moléculaires au Laboratoire de Photonique et Nanostructures de Marcoussis (CNRS).

Si l'intérêt du laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) semblait assez académique au moment de son invention dans les années 60, il s'est depuis largement imposé pour des applications dans des domaines aussi variés que l'électroménager, la médecine, l'industrie, et les télécommunications. Tous les types de laser reposent sur le même principe d'émission stimulée qui nécessite un milieu actif solide, liquide ou gazeux placé au sein d'une cavité formée par deux miroirs pour confiner les photons ("grains" quantiques constituant la lumière). Les lasers usuellement utilisés sont des lasers à semiconducteurs, de très faible encombrement et d'utilisation simple, compatibles avec les technologies de l'industrie microélectronique.

L'oscillateur paramétrique optique (OPO), réalisé pour la première fois en 1965, est en quelque sorte le "petit frère du laser ". A partir d'une onde laser "de pompe" (pour enclencher le phénomène), sont produits deux faisceaux de couleurs différentes. Les photons de ces faisceaux sont "jumeaux", c'est-à-dire qu'il existe entre eux une relation de phase. La capacité de générer efficacement de bons photons jumeaux est aujourd'hui un enjeu majeur dans le développement des techniques de l'information quantique et, singulièrement, de la cryptographie quantique, une cryptographie permettant, par principe, de rendre la transmission des données inviolables. En effet, les photons jumeaux émis par l'OPO peuvent préparés dans un état "intriqué", c'est à dire permettant de délocaliser l'information sur les deux entités : si l'information portée par un des photons est interceptée par un intrus, celle portée par le second sera modifiée ; "l'intrusion" est donc automatiquement détectée. Un tel procédé possède un grand intérêt pour communiquer une information confidentielle (tel un numéro de Carte Bancaire) via Internet, ou pour les militaires (la DGA apporte son soutien à ce projet). Néanmoins, toutes ces applications potentielles restent très limitées car, contrairement au laser, l'OPO nécessite jusqu'à maintenant un gros dispositif de laboratoire ne possédant pas de déclinaison sous forme de nanostructure aisément intégrable dans l'industrie de l'électronique.

Ce manque est en passe d'être comblé grâce aux travaux de Jérôme Tignon, le micro-oscillateur paramétrique optique à cavité triple verticale, ou "micro-VTROPO". Cette nouvelle nanostructure est constituée de trois micro-cavités verticales (contre une pour le laser) couplées entre elles. Elle contient un milieu actif formé de puits quantiques à base d'Arséniure de Gallium. Le dispositif est constitué de plus de 150 couches nanométriques, contenant en moyenne plus d'une centaine de mono-couches atomiques déposées une à une avec une précision extrême. L'épaisseur totale du système est d'environ 8 µm. Les premières expériences ont montré leur faisabilité aux températures cryogéniques et sous pompage optique par un laser externe. Les prochains développements technologiques consisteront à assurer un fonctionnement entièrement autonome grâce à une injection électrique.

Contacts :

Jérôme Tignon
T 01 44 32 33 54
Jerome.Tignon@lpa.ens.fr
Philippe Roussignol
T 01 44 32 25 57
Philippe.Roussignol@lpa.ens.fr
Presse :
Isabelle Bauthian
T 01.44.96.46.06
isabelle.bauthian@cnrs-dir.fr

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