Des peignes de fréquence optiques 15 fois plus puissants grâce aux solitons de Kerr

Des chercheurs ont montré que les solitons de Kerr dissipatifs (DKS) peuvent être utilisés pour créer des peignes de fréquences optiques sur puce avec suffisamment de puissance de sortie pour être utilisés dans des horloges atomiques optiques et d’autres applications pratiques.

Cette avancée pourrait conduire à des instruments sur puce capables de réaliser des mesures de précision qui étaient auparavant possibles uniquement dans quelques laboratoires spécialisés.

Des solitons de Kerr pour des peignes de fréquences optiques sur puce

« Les peignes de fréquences sont omniprésents en métrologie – tout comme une règle mesure une longueur, ils nous permettent de mesurer la fréquence optique avec une grande précision », a déclaré Grégory Moille du Joint Quantum Institute, NIST/Université du Maryland.

« Les fabriquer sur puce nous aide à réduire considérablement leur consommation d’énergie, mais réduit également la puissance de chaque dent du peigne. Cela rend difficile l’interface des peignes sur puce avec d’autres systèmes comme les étalons de fréquence atomique. Nous montrons qu’en injectant simplement avec soin un autre laser faible dans le dispositif de peigne, cela nous permet d’accorder le système et donc d’optimiser la puissance de plusieurs dents du peigne de plus d’un ordre de grandeur. »

Synchronisation des solitons de Kerr pour augmenter la puissance

Les peignes de fréquences optiques émettent un train continu d’impulsions lumineuses courtes et étroitement espacées contenant des millions de couleurs, qui peuvent être utilisées pour mesurer les ondes lumineuses comme si elles étaient des ondes radio. Cela permet à des technologies telles que les horloges atomiques, les ordinateurs et les communications d’être connectées à des ondes optiques qui oscillent à des fréquences 10 000 fois plus élevées que celles trouvées en électronique.

Alors que les peignes de fréquences optiques conventionnels sont générés à l’aide de lasers à modes bloqués qui ont tendance à être limités aux laboratoires scientifiques de pointe, des travaux récents ont été réalisés pour développer des peignes de fréquences optiques utilisant des micro-résonateurs compacts à l’échelle de la puce basés sur les DKS.

Les DKS sont des paquets de lumière qui reposent sur un double équilibre de non-linéarité et de dispersion ainsi que de dissipation et de gain. Bien que les peignes basés sur les DKS consomment très peu d’énergie, ils ne produisent pas non plus suffisamment de puissance de sortie pour être utiles.

Dans les nouveaux travaux, les chercheurs exploitent la synchronisation des solitons de Kerr induite par Kerr récemment proposée à une référence laser externe stable pour produire des peignes de fréquences optiques avec des niveaux de puissance plus élevés. Cela crée une augmentation substantielle de la puissance de l’autre côté du spectre du peigne par rapport au laser de référence.

En synthèse

Les chercheurs démontrent, théoriquement et expérimentalement, qu’une pompe de référence externe à 193 THz permet d’accorder la fréquence de répétition d’un peigne couvrant une octave. Cela permet d’ajuster la condition d’accord de phase de la dent du peigne à l’onde dispersive d’une manière qui optimise sa puissance. Parallèlement à un effet d’auto-équilibrage, directement lié à la propriété de robustesse centrale du DKS, ils démontrent une augmentation de puissance de plus de 15 fois à la dent du peigne de 388 THz.

« Nous ne faisons qu’effleurer la surface de ce qui peut être optimisé« , explique Moille. « Nous n’avons pas atteint la limite de puissance de cette optimisation et espérons atteindre des niveaux de puissance compatibles avec l’interface directe de notre peigne avec d’autres systèmes« .

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un peigne de fréquences optiques ?

Un peigne de fréquences optiques est une source lumineuse qui émet un spectre constitué d’une série de fines raies spectrales régulièrement espacées. Ces peignes permettent de mesurer des fréquences optiques avec une très grande précision, ce qui est utile dans de nombreux domaines comme la métrologie et les télécommunications.

En quoi consistent les solitons de Kerr dissipatifs ?

Les solitons de Kerr dissipatifs (DKS) sont des impulsions lumineuses se propageant dans des micro-résonateurs non-linéaires et dissipant de l’énergie. Ils résultent d’un équilibre entre effets non-linéaires (effet Kerr), dispersion chromatique et dissipation dans la cavité.

Pourquoi produire des peignes de fréquences sur puce ?

La fabrication de peignes de fréquences optiques directement sur puce permet de réduire grandement leur encombrement et leur consommation énergétique. Cela ouvre la voie à des systèmes compacts et portables pour des applications hors des laboratoires.

Comment augmenter la puissance des peignes à solitons de Kerr ?

En injectant un laser de référence externe stable dans le résonateur et en synchronisant les solitons sur ce laser, il est possible d’optimiser la puissance émise à certaines fréquences spécifiques du peigne.

Quelles sont les applications potentielles de cette technologie ?

Les peignes de fréquences sur puce pourraient permettre le développement d’horloges atomiques compactes, de systèmes de communication optique ou encore de spectromètres portables pour l’analyse de gaz par exemple.

Grégory Moille du Joint Quantum Institute, NIST/Université du Maryland, présentera ces recherches à la conférence Frontiers in Optics + Laser Science (FiO LS), qui se tiendra du 9 au 12 octobre 2023 au Greater Tacoma Convention Center à Tacoma (région du Grand Seattle), dans l’État de Washington.

Légende illustration principale : Des chercheurs ont montré que les solitons Kerr dissipatifs (DKS) peuvent être utilisés pour créer des peignes de fréquence optiques sur puce ayant une puissance de sortie suffisante pour être utilisés dans des horloges atomiques optiques et d’autres applications pratiques. Cette avancée pourrait déboucher sur des instruments à puce permettant d’effectuer des mesures de précision qui n’étaient auparavant possibles que dans quelques laboratoires spécialisés. Crédit : Grégory Moille, Joint Quantum Institute, NIST/University of Maryland