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Produire et contrôler des cristaux de lumière

Light pulses in an optical microresonator forming a perfect soliton crystal. Credit: Second Bay Studios

Light pulses in an optical microresonator forming a perfect soliton crystal. Credit: Second Bay Studios

Des scientifiques de l’EPFL ont montré comment la lumière pouvait être cristallisée à l’intérieur de microrésonateurs optiques on-chip sous forme de trains d’impulsions périodiques. Ceux-ci peuvent stimuler la performance des liaisons de communication optique ou doter des LiDAR ultrarapides d’une précision inférieure à un micromètre.

Les microrésonateurs optiques convertissent la lumière laser en impulsions ultracourtes qui tournent autour du résonateur. Ces impulsions, appelées «solitons de Kerr dissipatifs», peuvent se propager dans le microrésonateur sans se déformer.

Lorsque les solitons sortent du microrésonateur, la lumière émise prend la forme d’un train d’impulsions, c’est-à-dire d’une série d’impulsions qui se répètent à intervalles réguliers. Dans ce cas, la fréquence des impulsions est déterminée par la taille du microrésonateur. Plus il est petit, plus les fréquences de répétition sont élevées, de l’ordre de plusieurs centaines de gigahertz. Ces trains d’impulsions peuvent être utilisés pour stimuler la performance des liaisons de communication optique ou devenir une technologie fondamentale pour des LiDAR ultrarapides, d’une précision inférieure au micromètre.

Aussi intéressante qu’elle puisse être, cette technologie souffre de ce que les scientifiques appellent des «pertes de lumière par courbure», à savoir des pertes de lumière causées par des déviations structurelles sur son chemin. Il s’agit d’un problème bien connu dans le domaine de la fibre optique, qui implique aussi que la taille des microrésonateurs ne peut pas être inférieure à quelques dizaines de micromètres. Cela limite par conséquent la fréquence de répétition maximum atteignable par les impulsions.

Des chercheurs du laboratoire de Tobias J. Kippenberg de l’EPFL ont désormais découvert un moyen de contourner cette limitation et de découpler la fréquence de répétition de l’impulsion de la taille du microrésonateur en créant des solitons multiples dans un seul microrésonateur. Le résultat de leur recherche a été publié dans Nature Physics.

Les scientifiques ont trouvé le moyen de parsemer le microrésonateur d’un maximum de solitons de Kerr dissipatifs, séparés les uns des autres exactement par le même espace. Cette nouvelle formation de lumière peut être considérée comme un équivalent optique à des chaînes atomiques dans les solides cristallins. Cette caractéristique explique le nom que lui ont donné les chercheurs: «cristaux parfaits de solitons» (CPS).

En raison de l’augmentation de l’interférométrie et du nombre élevé d’impulsions optiques, les CPS multiplient rigoureusement la performance du train d’impulsions qui en résulte: non seulement sa fréquence de répétition, mais aussi sa puissance. Les chercheurs ont également examiné la dynamique de formation des CPS. Malgré une structure hautement organisée, ils semblent reliés très étroitement au chaos optique, un phénomène causé par des instabilités de lumière dans les microrésonateurs optiques, qui apparaît aussi fréquemment dans les systèmes basés sur des semi-conducteurs et les systèmes laser à fibre optique.

«Nos découvertes permettent de générer des trains d’impulsions optiques caractérisés par des fréquences de répétition ultrarapides de plusieurs térahertz, en utilisant des microrésonateurs normaux, explique le chercheur Maxim Karpov. De multiples applications sont possibles en spectroscopie, mesures des distances et comme source de rayonnement térahertz à faible bruit intégrés sur puce.» Les nouvelles connaissances relatives à la dynamique des solitons dans les microrésonateurs optiques et au comportement des CPS ouvrent de nouvelles perspectives dans la physique fondamentale des ensembles de solitons au sein des systèmes non linéaires.

Financement

USAF, Horizon 2020, programme de l’Union européenne, Marie Skłodowska-Curie (SOLISYNTH), Fonds national suisse de la recherche scientifique (precoR), DARPA (DRINQS), ESA (Centre européen de recherche et de technologie spatiales)

Références

Maxim Karpov, Martin H. P. Pfeiffer, Hairun Guo, Wenle Weng, Junqiu Liu, Tobias J. Kippenberg. Dynamics of soliton crystals in optical microresonators. Nature Physics 9 septembre 2019. DOI: 10.1038/s41567-019-0635-0