Les puces à micropeignes ouvrent la voie à des systèmes GPS mille fois plus précis

Les horloges atomiques optiques peuvent multiplier par mille la précision du temps et de la position géographique dans nos téléphones portables, nos ordinateurs et nos systèmes GPS. Cependant, elles sont actuellement trop grandes et trop complexes pour être utilisées à grande échelle dans la société. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’université de Purdue (États-Unis) et de l’université technologique de Chalmers (Suède) a mis au point une technologie qui, grâce à des microcombs (micropeignes) sur puce, pourrait rendre les systèmes d’horloges atomiques optiques ultraprécis nettement plus petits et plus accessibles, avec des avantages significatifs pour la navigation, les véhicules autonomes et la surveillance des données géographiques.

Aujourd’hui, nos téléphones portables, nos ordinateurs et nos systèmes GPS peuvent nous donner des indications de temps et de positionnement très précises grâce à plus de 400 horloges atomiques dans le monde. Toutes les sortes d’horloges – qu’elles soient mécaniques, atomiques ou qu’il s’agisse d’une smartwatch – sont composées de deux parties : un oscillateur et un compteur. L’oscillateur fournit une variation périodique d’une fréquence connue dans le temps, tandis que le compteur compte le nombre de cycles de l’oscillateur. Les horloges atomiques comptent les oscillations des atomes vibrants qui passent d’un état énergétique à l’autre à une fréquence très précise.

La plupart des horloges atomiques utilisent des fréquences micro-ondes pour induire ces oscillations énergétiques dans les atomes. Ces dernières années, les chercheurs ont exploré la possibilité d’utiliser des lasers pour induire les oscillations de manière optique. Tout comme une règle avec un grand nombre de tics par centimètre, les horloges atomiques optiques permettent de diviser une seconde en un nombre encore plus grand de fractions de temps, ce qui permet d’obtenir des indications de temps et de position des milliers de fois plus précises.

« Les horloges atomiques actuelles permettent aux systèmes GPS de se positionner avec une précision de quelques mètres. Avec une horloge atomique optique, on peut atteindre une précision de quelques centimètres. Cela améliore l’autonomie des véhicules et de tous les systèmes électroniques basés sur le positionnement. Une horloge atomique optique peut également détecter des changements minimes de latitude à la surface de la Terre et peut être utilisée pour surveiller, par exemple, l’activité volcanique », détaille le professeur Minghao Qi de l’université de Purdue, coauteur d’une étude récemment publiée dans Nature Photonics.

Cependant, les horloges atomiques optiques existantes sont encombrantes et nécessitent des laboratoires complexes avec des réglages laser et des composants optiques spécifiques, ce qui rend difficile leur utilisation en dehors des laboratoires, par exemple dans des satellites, des stations de recherche à distance ou des drones. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’université de Purdue et de Chalmers a mis au point une technologie qui rend les horloges atomiques optiques beaucoup plus petites et accessibles pour une utilisation plus répandue dans la société.

Un système miniaturisé par des microcombs

Le cœur de la nouvelle technologie, décrite dans un article de recherche récemment publié dans Nature Photonics, est constitué de petits dispositifs à base de puces appelés microcombs. Comme les dents d’un peigne, les microcombs sont capables de générer un spectre de fréquences lumineuses uniformément réparties.

« Cela permet à l’une des fréquences du peigne d’être verrouillée sur une fréquence laser qui, à son tour, est verrouillée sur l’oscillation de l’horloge atomique », explique Minghao Qi.

Bien que les horloges atomiques optiques offrent une précision beaucoup plus élevée, la fréquence d’oscillation se situe dans la gamme des centaines de THz – une fréquence trop élevée pour que les circuits électroniques puissent « compter » directement. Mais les puces microcombinées des chercheurs ont pu résoudre ce problème, tout en permettant de réduire considérablement la taille du système d’horloge atomique.

« Heureusement, nos puces en microcombustion peuvent servir de pont entre les signaux optiques de l’horloge atomique et les fréquences radio utilisées pour compter les oscillations de l’horloge atomique. De plus, la taille minimale du microcomb permet de réduire considérablement le système de l’horloge atomique tout en conservant son extraordinaire précision », ajoute Victor Torres Company, professeur de photonique à Chalmers et coauteur de l’étude.

Relever le défi de l’autoréférence

Un autre obstacle majeur a été de parvenir simultanément à l’« autoréférence » nécessaire à la stabilité de l’ensemble du système et à l’alignement exact des fréquences des microcombinaisons sur les signaux de l’horloge atomique.

« Il s’avère qu’un seul micropeigne n’est pas suffisant, et nous avons réussi à résoudre le problème en jumelant deux micropeignes dont l’espacement des peignes, c’est-à-dire l’intervalle de fréquence entre les dents adjacentes, est proche, mais avec un petit décalage, par exemple de 20 GHz. Cette fréquence décalée de 20 GHz servira de signal d’horloge détectable électroniquement. De cette manière, nous pourrions obtenir un système permettant de transférer le signal horaire exact d’une horloge atomique vers une fréquence radio plus accessible », indique pour sa part Kaiyi Wu, principal auteur de l’étude à l’université de Purdue.

L’optique laser sur puce ouvre la voie à des horloges optiques atomiques accessibles

Le nouveau système comprend également une photonique intégrée, qui utilise des composants à base de puces plutôt que des optiques laser encombrantes.

« La technologie d’intégration photonique permet d’intégrer les composants optiques des horloges optiques atomiques, tels que les peignes de fréquence, les sources atomiques et les lasers, sur de minuscules puces photoniques de taille micrométrique à millimétrique, ce qui réduit considérablement la taille et le poids du système », précise le Dr Kaiyi Wu. Cette innovation pourrait ouvrir la voie à une production de masse, rendant les horloges atomiques optiques plus abordables et plus accessibles pour toute une série d’applications sociales et scientifiques.Le système nécessaire pour « compter » les cycles d’une fréquence optique requiert de nombreux composants en plus des microcombs, tels que des modulateurs, des détecteurs et des amplificateurs optiques.Cette étude résout un problème important et présente une nouvelle architecture, mais les prochaines étapes consisteront à réunir tous les éléments nécessaires pour créer un système complet sur une puce.

« Nous espérons que les progrès futurs en matière de matériaux et de techniques de fabrication permettront de rationaliser davantage la technologie, ce qui nous rapprochera d’un monde où le chronométrage ultra-précis sera une caractéristique standard de nos téléphones portables et de nos ordinateurs », conclu Victor Torres Company.

Légende illustration : Comme les dents d’un peigne, un microcomb est constitué d’un spectre de fréquences lumineuses uniformément réparties. Les horloges atomiques optiques peuvent être construites en verrouillant une dent de micropeigne à un laser à largeur de ligne très étroite, qui à son tour se verrouille à une transition atomique avec une stabilité de fréquence extrêmement élevée. De cette manière, les peignes de fréquence agissent comme un pont entre la transition atomique à une fréquence optique et le signal d’horloge à une fréquence radio détectable électroniquement pour le comptage des oscillations, ce qui permet une précision extraordinaire. Cette puce photonique contient 40 générateurs de micropeignes et ne mesure que cinq millimètres de large.

Article : « Vernier microcombs for integrated optical atomic clocks » publiée dans Nature Photonics. Auteurs : Kaiyi Wu, Nathan P. O’Malley, Saleha Fatema, Cong Wang, Marcello Girardi, Mohammed S. Alshaykh, Zhichao Ye, Daniel E. Leaird, Minghao Qi, Victor Torres-Company and Andrew M. Weiner. Au moment de l’étude, les chercheurs travaillaient à l’université de Purdue (États-Unis), à l’université technologique de Chalmers (Suède) et à l’université du roi Saud (Arabie saoudite).