Précision au niveau de la femtoseconde obtenue dans des microcombes à solitons à l’échelle d’une puce

La conception gérée par dispersion supprime la gigue temporelle pour la navigation spatiale, le lidar et les communications ultrarapides

Les peignes de fréquence laser sont des sources lumineuses qui produisent des lignes nettes et régulièrement espacées à travers le spectre, ressemblant aux dents d’un peigne. Ils servent de règles précises pour mesurer le temps et la fréquence et sont devenus des outils essentiels dans des applications telles que le lidar, les communications optiques à grande vitesse et la navigation spatiale. Les peignes de fréquence traditionnels reposent sur de grands lasers de laboratoire. Toutefois, des progrès récents ont permis de mettre au point des microcombes à solitons à l’échelle d’une puce, qui génèrent des impulsions lumineuses ultracourtes à l’intérieur de microrésonateurs.

L’un des principaux défis des microcombes à soliton est la gigue temporelle, c’est-à-dire les minuscules fluctuations dans la synchronisation des impulsions lumineuses. Ces fluctuations, causées par le bruit ambiant ou des instabilités internes, peuvent nuire à la précision et à la fiabilité des systèmes qui dépendent d’une synchronisation exacte. Par exemple, dans les lidars, la gigue peut entraîner une incertitude dans les mesures de distance, et dans les transmissions de données à grande vitesse, elle peut introduire une distorsion du signal et réduire l’intégrité des données.

Comme indiqué dans Advanced Photonics Nexus, une équipe de recherche internationale s’est attaquée à ce problème en développant une nouvelle plateforme basée sur des microrésonateurs en nitrure de silicium (Si3N4) à gestion de la dispersion fonctionnant à un taux de répétition de 89 GHz.

L’une des principales améliorations de la plate-forme DM est sa capacité à réduire les croisements de modes évités (AMX), qui sont généralement difficiles à contrôler dans les configurations traditionnelles à dispersion constante. En façonnant la dispersion à l’intérieur du résonateur, l’équipe de recherche a pu supprimer ces perturbations et obtenir un signal plus stable.

Pour construire le microrésonateur, les chercheurs ont déposé une couche de dioxyde de silicium (SiO2) de 3 µm sur une plaquette de silicium. Ils ont ensuite déposé une couche de 800 nm de Si3N4 par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression. Cette couche a ensuite été modelée en un résonateur annulaire par lithographie dans l’ultraviolet profond à 248 nanomètres. Enfin, une couche d’oxyde a été ajoutée au microrésonateur modelé.

L’équipe a testé les microcombs dans différents états de fonctionnement, y compris les formations cristallines à soliton unique, à soliton multiple et à soliton. À l’aide d’une méthode d’interférométrie à haute sensibilité, ils ont mesuré la gigue temporelle jusqu’à la zeptoseconde. Les résultats ont montré que l’état de soliton unique produisait systématiquement le signal le plus propre, avec un bruit d’intensité relative (RIN) de -153,2 dB/Hz et une gigue de synchronisation aussi faible que 1,7 femtoseconde pour des gammes de fréquences comprises entre 10 kHz et 1 MHz. Pour une gamme de fréquences plus large, de 10 kHz à la limite de Nyquist de 44,5 GHz, la gigue intégrée est restée aussi faible que 32,3 fs.

La conception du DM a également permis de stabiliser la fréquence centrale des microcombs, ce qui a permis d’éviter une gigue supplémentaire due à la dérive de la fréquence. Bien que les niveaux de gigue varient légèrement d’un état de soliton à l’autre, les performances sont restées exceptionnellement stables dans l’ensemble.

« À notre connaissance, nous avons obtenu pour la première fois une gigue temporelle de l’ordre de la femtoseconde dans des microcombes à gestion de la dispersion », déclare l’auteur correspondant Wenzheng Liu.

Les chercheurs ont également identifié la principale source de bruit à basse fréquence comme étant les fluctuations de puissance intracavité – une découverte qui ouvre la voie à de futures améliorations, où la gigue de synchronisation pourrait potentiellement être réduite à des niveaux inférieurs à la femtoseconde.

« La principale source de bruit aux basses fréquences de décalage est la fluctuation de la longueur effective de la cavité, qui résulte des fluctuations de puissance intra-cavité dans le microrésonateur. Dans les microcombes à dispersion gérée, nous observons des décalages négligeables de la fréquence centrale, ce qui permet d’éviter les processus de conversion du bruit liés aux décalages de la fréquence centrale. Des études futures pourraient explorer comment la dispersion d’ordre élevé dans ces microrésonateurs facilite des mécanismes de couplage de bruit supplémentaires », note l’auteur Chee Wei Wong, professeur à la Samueli School of Engineering de l’UCLA.

En atteignant une gigue temporelle de l’ordre de la femtoseconde dans une plate-forme compacte et intégrée, le microcombinateur géré par dispersion proposé établit une nouvelle référence. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour le déploiement de solitons à l’échelle de la puce dans la navigation spatiale, les réseaux de données ultrarapides et les systèmes de mesure quantique.

Légende illustration : Une nouvelle plate-forme basée sur des microrésonateurs en nitrure de silicium à dispersion gérée fonctionne à un taux de répétition de 89 GHz. Le schéma montre des images MEB du microrésonateur en forme d’anneau et des vues agrandies de la structure du guide d’ondes et de l’espace de couplage. Crédit : W. Wang, W. Liu, H. Liu, et al, doi : 10.1117/1.APN.4.3.036011

W. Wang, W. Liu, H. Liu, et al., “Mapping ultrafast timing jitter in dispersion managed 89 GHz frequency microcombs via self-heterodyne linear interferometry,” Adv. Photon. Nexus 4(3), 036011 (2025), doi: 10.1117/1.APN.4.3.036011

Source : SPIE