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Le plus petit peigne de fréquence optique à ce jour

Une photographie du système de peigne à micro-résonateur-fréquence. Crédit : Arslan Raja/EPFL

Une photographie du système de peigne à micro-résonateur-fréquence. Crédit : Arslan Raja/EPFL

Des scientifiques de l'EPFL et du Centre quantique russe ont construit une source photonique intégrée, compacte et portable de micropeignes à solitons. L'appareil mesure moins de 1 cm3 et est entraîné par un laser au phosphure d'indium sur puce qui consomme moins de 1 Watt d'énergie électrique. Il peut être utilisé dans le LIDAR, les interconnexions de centres de données et même les satellites. L'étude est publiée dans Nature Communications.

Les peignes de fréquence optiques sont des sources laser dont le spectre se compose d'une série de lignes de fréquence discrètes et également espacées qui peuvent être utilisées pour des mesures précises. Au cours des deux dernières décennies, ils sont devenus un outil majeur pour des applications telles que la mesure précise de distance, la spectroscopie et les télécommunications.

La plupart des sources de peignes de fréquences optiques disponibles sur le marché, basées sur des lasers à verrouillage de mode, sont grandes et coûteuses, ce qui limite leur potentiel d'utilisation dans des volumes importants et des applications portables. Bien que des versions à l'échelle de la puce de peignes de fréquence optique utilisant des micro-résonateurs aient été présentées pour la première fois en 2007, une forme entièrement intégrée a été entravée par des pertes matérielles élevées et des mécanismes d'excitation complexes.

Les équipes de recherche dirigées par Tobias J. Kippenberg à l'EPFL et Michael L. Gorodetsky au Russian Quantum Center ont maintenant construit un microcombiné à solitons intégré fonctionnant à un taux de répétition de 88 GHz en utilisant une diode laser au phosphure d'indium et le microrésonateur au nitrure de silicium à échelle chip. Avec seulement 1 cm3, l'appareil est le plus petit du genre à ce jour.

Le microrésonateur en nitrure de silicium est fabriqué à l'aide d'un procédé breveté de refusion photonique Damascène qui produit des pertes extrêmement faibles en photonique intégrée. Ces guides d'ondes à très faibles pertes comblent l'écart entre la diode laser à puce et les niveaux de puissance nécessaires pour exciter les états dissipatifs de solitons de Kerr, qui sont à la base de la génération des peignes de fréquence optique.

La méthode utilise des lasers à phosphure d'indium à base de puces disponibles dans le commerce, par opposition aux modules laser conventionnels. Dans le travail rapporté, une petite partie de la lumière laser est réfléchie vers le laser en raison de la diffusion intrinsèque du microrésonateur. Cette rétroaction directe aide à la fois à stabiliser le laser et à générer le peigne à solitons. Cela montre que le résonateur et le laser peuvent être intégrés sur une seule puce, ce qui représente une amélioration unique par rapport à la technologie précédente.

"Il existe un intérêt significatif pour les sources de peignes de fréquences optiques à commande électrique qui peuvent être entièrement intégrées photoniquement pour répondre aux exigences des applications de nouvelle génération, en particulier le LIDAR et le traitement de l'information dans les centres de données ", explique Kippenberg. "Il s'agit non seulement d'une avancée technologique dans le domaine des solitons dissipatifs de Kerr, mais aussi d'un aperçu de leur dynamique non linéaire et d'un retour rapide de la cavité.

L'ensemble du système peut tenir dans un volume inférieur à 1 cm3 et peut être commandé électriquement. "La compacité, la méthode de réglage facile, le faible coût et le faible taux de répétition rendent ce système de microcombinaison intéressant pour les applications de fabrication de masse ", explique Arslan Sajid Raja, doctorant et auteur principal de l'étude. "Son principal avantage est un retour optique rapide, ce qui élimine le besoin d'une électronique active ou de tout autre mécanisme d'accord sur la puce."

Les scientifiques visent maintenant à faire la démonstration d'un spectromètre intégré et d'une source multi-longueurs d'onde et à améliorer le procédé de fabrication et la méthode d'intégration pour pousser davantage la source à microcombinaison à un taux de répétition des micro-ondes. 

Les échantillons ont été fabriqués au Centre de MicroNanoTechnologie de l'EPFL.

Financement

Fonds national suisse (FNS), Agence des projets de recherche avancée pour la défense (DARPA), Union européenne (Horizon 2020)

Références

A. S. Raja, A. S. Voloshin, H. Guo, S. E. Agafonova, J. Liu, A. S. Gorodnitskiy, M. Karpov, N. G. Pavlov, E. Lucas, R. R. Galiev, A. E Shitikov, J. D. Jost, M. L. Gorodetsky, T. J. Kippenberg. Microcombine à solitons photoniques intégrées à pompage électrique. Nature Communications 10, 680 (2019). DOI : 10.1038/s4141467-019-08498-2


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