Laser : des peignes de fréquence sur puce 100 fois plus efficace

Les peignes de fréquence sur puce – des lasers qui émettent simultanément plusieurs fréquences ou couleurs de lumière séparées comme les dents d’un peigne – sont une technologie prometteuse pour toute une série d’applications, notamment la surveillance de l’environnement, l’informatique optique, l’astronomie et la métrologie.

Cependant, les peignes de fréquence sur puce sont encore limités par un problème sérieux : ils ne sont pas toujours efficaces. Il existe plusieurs façons d’atténuer le problème d’efficacité, mais elles présentent toutes des inconvénients. Par exemple, les peignes peuvent avoir soit une efficacité élevée, soit une large bande passante, mais pas les deux. L’incapacité à concevoir un peigne de fréquence laser sur puce qui soit à la fois efficace et à large bande a bloqué les chercheurs pendant des années et a empêché la commercialisation à grande échelle de ces dispositifs.

Aujourd’hui, une équipe de la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard a mis au point un peigne de fréquences électro-optique cent fois plus efficace et dont la largeur de bande est plus de deux fois supérieure à celle des versions précédentes.

« Notre dispositif ouvre la voie à des générateurs de peignes de fréquences optiques pratiques et ouvre la porte à de nouvelles applications« , a déclaré Marko Lončar, professeur d’ingénierie électrique Tiantsai Lin à SEAS et auteur principal de l’étude. « Cela fournit également une plateforme pour étudier de nouveaux domaines de la physique optique« .

Cette recherche est publiée dans la revue Nature Photonics.

Cette avancée s’appuie sur les recherches précédentes de Lončar et de son équipe.

En 2019, Lončar et son laboratoire ont démontré le premier peigne de fréquences stable, sur puce, qui pouvait être contrôlé par des micro-ondes. Ce peigne de fréquence dit électro-optique, construit sur la plateforme de niobate de lithium dont le laboratoire de Lončar a été le pionnier, couvrait toute la bande passante des télécommunications, mais son efficacité était limitée. En 2021, l’équipe a mis au point un dispositif de résonateurs couplés pour contrôler le flux de lumière, et les a utilisés pour faire la démonstration de décaleurs de fréquence sur puce – un dispositif qui peut changer la couleur de la lumière avec une efficacité de près de 100 %.

Les dernières recherches appliquent les deux concepts pour relever le défi des peignes de fréquence électro-optiques à base de résonateurs – le compromis efficacité-bande passante.

« Nous avons démontré qu’en combinant ces deux approches – le résonateur couplé avec le peigne de fréquence électro-optique – nous pouvions améliorer considérablement l’efficacité sans sacrifier la largeur de bande. En fait, nous avons même amélioré la largeur de bande« , a déclaré Yaowen Hu, assistant de recherche au SEAS et premier auteur de l’article.

« Nous avons constaté que lorsque vous améliorez les performances de la source de peigne à ce niveau, le dispositif commence à fonctionner dans un régime entièrement nouveau qui combine le processus de génération de peigne de fréquence électro-optique avec l’approche plus traditionnelle d’un peigne de fréquence Kerr« , a déclaré Mengjie Yu, ancien chercheur postdoctoral au SEAS et co-auteur de l’article.

Mengjie Yu est actuellement professeur adjoint à l’université de Californie du Sud.

Ce nouveau peigne peut générer des impulsions femtosecondes ultrarapides à haute puissance. Avec son haut rendement et sa large bande, ce dispositif peut être utile pour des applications en astronomie, en informatique optique, en télémétrie et en métrologie optique.

Cette recherche a été co-écrite par Brandon Buscaino, Neil Sinclair, Di Zhu, Rebecca Cheng, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Mian Zhang et Joseph M. Kahn.

It was supported in part by the Air Force Officer of Special research under grants FA9550-19-1-0376 and FA9550-19-1-0310; the Defense Advanced Research Projects Agency under grant LUMOS HR0011-20-C-137; NASA under grants 80NSSC21C0583; the Air Force Research Laboratory under grant FA9550-21-1-0056; the National Science Foundation under grant ECCS-1839197 (D.Z.); and the Department of Energy under grant DE-SC0020376.