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Peignes de fréquence comme filtres spectraux hyperfréquences

A graph summarizing the data from this study (credit: Weng Wenle, EPFL)

A graph summarizing the data from this study (credit: Weng Wenle, EPFL)

Les peignes de fréquence optiques sont fréquemment utilisés pour transférer les stabilités du domaine des hyperfréquences vers le domaine optique, ce qui donne une précision sans précédent dans la détection laser et la métrologie. Désormais, un peigne de fréquence généré dans un microrésonateur permet aux scientifiques dirigés par l'EPFL de générer des micro-ondes à faible bruit en purifiant les signaux d'un oscillateur du commerce.

Les signaux hyperfréquences à faible bruit sont d'une grande importance dans de nombreuses applications, notamment les télécommunications à grande vitesse, le traitement ultra-rapide des données, la détection à faible concentration et le test des constantes physiques fondamentales. Par convention, ces signaux sont générés avec des oscillateurs hyperfréquences encombrants, complexes et délicats qui ne sont pas facilement accessibles à la plupart des laboratoires.

Comme alternative, la génération de micro-ondes à faible bruit basée sur des microrésonateurs optiques a été intensivement explorée au cours des dernières décennies. S'appuyant sur la haute fréquence optique et la pureté spectrale des lasers, les micro-résonateurs optiques offrent la possibilité de fournir des micro-ondes à faible bruit d'une manière simple, compacte et économe en énergie. Cependant, les micro-ondes générées souffrent d'importantes dérives de fréquence et d'une gamme de fréquences limitée en raison de la vulnérabilité des résonateurs optiques aux instabilités environnementales et des propriétés intrinsèques des matériaux dont sont faits les résonateurs.

Publiés dans Physical Review Letters, les chercheurs du laboratoire de Tobias Kippenberg à l'EPFL et du Russian Quantum Centre ont mis au point une méthode nouvelle et efficace pour générer des micro-ondes à faible bruit à l'aide de micro-résonateurs optiques. L'approche utilise un laser pour générer des solitons de Kerr à espacement égal - des impulsions temporelles dissipatives auto-organisées - à partir d'un microrésonateur cristallin pour former des peignes de fréquence - aussi connus sous le nom de "microcombs". 

Les chercheurs introduisent les signaux micro-ondes d'un oscillateur prêt à l'emploi dans le laser pour piéger les impulsions dans le microrésonateur. Par conséquent, la synchronisation des impulsions pouvait être réglée par les signaux d'entrée. En détectant les impulsions disciplinées à l'aide d'un photodétecteur, l'équipe a été surprise de constater qu'elles pouvaient générer des signaux hyperfréquences avec la même fréquence mais un bruit de phase beaucoup plus faible.

Disciplinées par un signal hyperfréquence d'entrée, les impulsions laser générées dans un microrésonateur peuvent produire des micro-ondes avec des bruits de phase très purifiés (crédit : Weng Wenle, EPFL).

Ce phénomène est provoqué par la compétition entre l'auto-organisation des solitons de Kerr et les forces exercées par les pièges optiques. "A l'échelle du long terme, les solitons sont capturés par les pièges, de sorte que la fréquence micro-ondes générée suit celle du signal d'entrée ", explique Wenle Weng, le premier auteur de l'article. "Mais en très peu de temps, les solitons peuvent garder leur rythme extrêmement ordonné sans être dérangés par les pièges." 

Par conséquent, le bruit de phase des signaux micro-ondes générés maintient le niveau original des solitons de Kerr, qui est nettement inférieur à celui de la plupart des oscillateurs micro-ondes disponibles dans le commerce.

Par rapport à d'autres technologies de microrésonateurs optiques, les micro-ondes produites par cette méthode présentent d'excellentes stabilités de fréquence. Et, en principe, la fréquence des micro-ondes peut être ajustée de quelques GHz à l'échelle THz, simplement en utilisant des microrésonateurs de différentes tailles. 

Les scientifiques travaillent actuellement à la mise en œuvre de cette technologie avec des résonateurs annulaires microfabriqués à l'échelle de la puce au lieu de résonateurs cristallins. Les résonateurs microfabriqués peuvent être intégrés à une variété de composants photoniques et microélectroniques, et peuvent également être produits en série. Les performances supérieures de ces "purificateurs hyperfréquences" basés sur la photonique intégrée pourraient révolutionner le marché émergent des sources hyperfréquences à faible bruit.

Financement

Fonds national suisse de la recherche scientifique, Defense Advanced Research Projects Agency, Defense Sciences Office (États-Unis), Fondation russe pour la recherche fondamentale, Horizon 2020 de l'Union européenne 

Références

Wenle Weng, Erwan Lucas, Grigory Lihachev, Valery E. Lobanov, Hairun Guo, Michael L. Gorodetsky, and Tobias J. Kippenberg , Spectral purification of microwave signals with disciplined dissipative Kerr solitons. Physical Review Letters 122, 013902. 03 January 2019. DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.013902