Des signaux micro-ondes de haute qualité générés à partir d’une minuscule puce photonique

La miniaturisation des technologies reste un enjeu majeur de notre époque, touchant de nombreux domaines, de la communication à la navigation. Un progrès dans ce domaine vient d’être réalisé par des chercheurs de l’Université Columbia, qui ont conçu une puce photonique capable de générer des signaux micro-ondes de haute qualité avec un niveau de bruit extrêmement faible.

Une innovation majeure dans la photonique intégrée

Les chercheurs de l’École d’ingénierie de Columbia ont développé une puce photonique qui, grâce à l’utilisation d’un unique laser, produit des signaux micro-ondes d’une qualité exceptionnelle et d’un niveau de bruit ultra-faible. Cette puce, d’une taille si réduite qu’elle pourrait se poser sur la pointe d’un crayon bien taillé, a permis d’atteindre le niveau de bruit micro-ondes le plus bas jamais observé sur une plateforme photonique intégrée.

Le dispositif compact offre une voie prometteuse vers la génération de micro-ondes ultra-faibles en bruit pour des applications telles que les communications à haute vitesse, les horloges atomiques et les véhicules autonomes.

Le défi technologique relevé

Les dispositifs électroniques utilisés pour la navigation globale, les communications sans fil, le radar et la synchronisation de précision nécessitent des sources de micro-ondes stables pour servir d’horloges et de vecteurs d’information. Un aspect clé pour améliorer la performance de ces dispositifs est la réduction du bruit, ou des fluctuations aléatoires de phase, présentes sur le signal micro-ondes.

« Au cours de la dernière décennie, une technique connue sous le nom de division de fréquence optique a permis de générer les signaux micro-ondes les moins bruyants à ce jour », explique Alexander Gaeta, professeur de physique appliquée et de science des matériaux, ainsi que professeur de génie électrique à l’Université Columbia. « Habituellement, un tel système nécessite plusieurs lasers et un volume relativement important pour contenir tous les composants. »

La division de fréquence optique, une méthode de conversion d’un signal haute fréquence en une fréquence plus basse, est une innovation récente pour la génération de micro-ondes où le bruit a été fortement supprimé. L’encombrement de ces systèmes les empêche d’être utilisés pour des applications de détection et de communication miniaturisées qui exigent des sources de micro-ondes plus compactes.

« Nous avons réalisé un dispositif capable d’effectuer la division de fréquence optique entièrement sur une puce dans une zone aussi petite que 1 mm² en utilisant seulement un laser », ajoute Alexander Gaeta. « Nous démontrons pour la première fois le processus de division de fréquence optique sans avoir besoin d’électronique, simplifiant grandement la conception du dispositif. »

L’approche novatrice

Le groupe de Gaeta est spécialisé dans la photonique quantique et non linéaire, ou comment la lumière laser interagit avec la matière. Les domaines d’intérêt incluent la nanophotonique non linéaire, la génération de peignes de fréquences, les interactions d’impulsions ultra-rapides intenses et la génération et le traitement des états quantiques de la lumière.

Dans cette étude, son groupe a conçu et fabriqué un dispositif tout-optique sur puce qui génère un signal micro-ondes de 16 GHz avec le bruit de fréquence le plus bas jamais atteint sur une plateforme de puce intégrée. Le dispositif utilise deux micro-résonateurs en nitrure de silicium qui sont couplés photoniquement.

Un laser à fréquence unique alimente les deux micro-résonateurs. L’un est utilisé pour créer un oscillateur paramétrique optique, qui convertit l’onde d’entrée en deux ondes de sortie – l’une de fréquence supérieure et l’autre inférieure. L’espacement des fréquences des deux nouvelles ondes est ajusté pour être dans le régime térahertz. En raison des corrélations quantiques de l’oscillateur, le bruit de cette différence de fréquence peut être des milliers de fois inférieur au bruit de l’onde laser d’entrée.

Le second micro-résonateur est ajusté pour générer un peigne de fréquences optiques avec un espacement micro-ondes. Une petite quantité de lumière de l’oscillateur est ensuite couplée au générateur de peigne, conduisant à la synchronisation de la fréquence du peigne micro-ondes avec l’oscillateur térahertz qui résulte automatiquement en une division de fréquence optique.

L’impact potentiel

L’œuvre du groupe de Gaeta représente une approche simple et efficace pour réaliser la division de fréquence optique dans un emballage petit, robuste et hautement portable. Les résultats ouvrent la porte à des dispositifs à l’échelle de la puce qui peuvent générer des signaux micro-ondes stables et purs comparables à ceux produits dans les laboratoires effectuant des mesures de précision.

« À terme, ce type de division de fréquence tout-optique conduira à de nouvelles conceptions de dispositifs de télécommunication futurs », a-t-il déclaré. « Cela pourrait également améliorer la précision des radars micro-ondes utilisés pour les véhicules autonomes. »

Légende illustration : Schéma de haut niveau de la puce photonique intégrée, développée par le laboratoire Gaeta, pour la division de fréquence optique tout optique, ou OFD – une méthode de conversion d’un signal à haute fréquence en une fréquence plus basse. Crédit : Yun Zhao/Columbia Engineering

Article : « All-optical frequency division on-chip using a single laser » – DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07136-2