Un anneau minuscule produit des impulsions lumineuses
Des microrésonateurs en nitrure de silicium sur une puce couplée à une fibre optique. © Victor Brasch, Erwan Lucas / EPFL
Des chercheurs dirigés par l'EPFL ont créé un minuscule dispositif, en forme d'anneau, capable de générer un signal laser pulsé. Leur travail pourrait être utilisé dans des applications de télécommunication et dans des analyses chimiques.
Les solitons sont un type d'ondes qui, contrairement à d'autres ondes, conservent leur forme même lorsqu'elles s'éloignent de leur source. Les ondes solitaires de lumière présentent un grand intérêt car elles peuvent produire des fréquences de lumières espacées régulièrement, comme les dents d'un peigne. Ces «peignes de fréquences» peuvent être utilisés dans des technologies qui demandent des fréquences largement espacées, comme les télécommunications et les analyses chimiques. Dans Science, des chercheurs dirigés par l'EPFL ont reproduit avec succès des solitons de lumière au moyen d'un petit dispositif basé sur une puce électronique, établissant ainsi un nouveau record dans ce domaine.
Le projet a été conduit par Victor Brasch et Michael Geiselmann au laboratoire de Tobias J. Kippenberg à l'EPFL, en collaboration avec des collègues du Russian Quantum Center. Pour générer des solitons, les scientifiques ont utilisé des structures microscopiques en forme d'anneau, constituées de nitrure de silicium. Ils sont qualifiés de «microrésonateurs», et sont depuis des années le domaine d'expertise de Tobias Kippenberg.
Les microrésonateurs sont couplés à un laser, et peuvent emmagasiner la lumière qu'ils en reçoivent pendant quelques nanosecondes. «Ce laps de temps suffit pour que la lumière fasse des milliers de fois le tour de l'anneau et s'y accumuler, ce qui accroît considérablement l'intensité de la lumière», explique Kippenberg.
L'intéraction entre le microrésonateur et la lumière devient non-linéaire. Le laser, qui normalement est continu par nature, est converti en pulsations ultra-courtes: les solitons.
La lumière est constituée d'une gamme de fréquences, qui peuvent être imaginées comme de différentes couleurs. Dans le microrésonateur, les fréquences sont séparées de manière très précise par une distance identique, produisant quelque chose qui ressemble à l'espacement régulier des dents d'un peigne. Par conséquent, les physiciens qualifient ce phénomène de «peigne de fréquences».
En ajustant les paramètres d'élaboration du microrésonateur, les chercheurs ont également pu générer ce qu'on appelle un «rayonnement Cherenkov de solitions», qui élargit le spectre de fréquences; en d'autres termes, cela confère au peigne davantage de dents. Dès lors, les fréquences générées s'étendent sur deux tiers d'octave, comparées avec la fréquence du laser entrant (une octave se réfère au double ou à la moitié de la fréquence).
Cette réussite signifie un nouveau record pour ce microrésonateur. «Ces résultats représentent une avancée prometteuse pour des applications qui exigent de nombreuses fréquences espacées largement», dit Tobias Kippenberg, qui a déjà déposé un brevet.
Un domaine qui peut bénéficier de ce travail est celui des communications optiques. Avec cette approche, un seul laser suffirait à créer une gamme de fréquences individuelles capables de transporter de l'information séparément, même à travers la même fibre optique. De plus, la spectroscopie chimique et la mesure atomique du temps sont d'autres applications potentielles.
Tous les modèles de microrésonateurs utilisés dans cette recherche ont été fabriqués au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l'EPFL. Ce travail inclut des contributions de l'Université d'Etat Lomonosov à Moscou. Le projet a été financé par l'Agence spatiale européenne, le Fonds National Suisse, le DARPA et l'USAF.
Reference
Brasch V, Geiselmann M, Herr T, Lihachev G, Pfeiffer MHP, Gorodetsky ML Kippenberg TJ. Photonic chip–based optical frequency comb using soliton Cherenkov radiation.Science 31 December 2015. 10.1126/science.aad4811.