Les peignes de fréquence laser sur puce – des lasers qui émettent plusieurs fréquences ou couleurs de lumière séparées simultanément comme la dent d’un peigne – sont une technologie prometteuse pour une gamme d’applications, notamment la surveillance de l’environnement, l’informatique optique, l’astronomie et la métrologie. Cependant, les peignes de fréquence sur puce sont encore limités par un problème sérieux : ils ne sont pas toujours efficaces. Il existe plusieurs façons d’atténuer le problème d’efficacité, mais elles souffrent toutes de compromis. Par exemple, les peignes peuvent avoir une efficacité élevée ou une large bande passante, mais pas les deux. L’incapacité de concevoir un peigne de fréquence laser sur puce à la fois efficace et large a entravé les chercheurs pendant des années et entravé la commercialisation généralisée de ces dispositifs.
Maintenant, une équipe de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) a développé un peigne de fréquence électro-optique qui est 100 fois plus efficace que les versions de pointe précédentes, et a plus de deux fois leur bande passante.
« Notre appareil ouvre la voie à des générateurs de peignes de fréquences optiques pratiques et ouvre la porte à de nouvelles applications », a déclaré Marko Lončar, professeur Tiantsai Lin de génie électrique à SEAS et auteur principal de l’étude. « Il fournit également une plate-forme pour explorer de nouveaux domaines. de la physique optique. »
La recherche est publiée dans Photonique de la nature.
Cette avancée s’appuie sur des recherches antérieures de Lončar et de son équipe.
En 2019, Lončar et son laboratoire ont présenté le premier peigne de fréquence stable sur puce pouvant être contrôlé avec des micro-ondes. Ce soi-disant peigne de fréquence électro-optique, construit sur la plate-forme de niobate de lithium mise au point par le laboratoire de Lončar, couvrait toute la bande passante des télécommunications mais était limité dans son efficacité. En 2021, l’équipe a développé un dispositif à résonateurs couplés pour contrôler le flux de lumière et les a utilisés pour démontrer des décaleurs de fréquence sur puce, un dispositif qui peut changer la couleur de la lumière avec une efficacité de près de 100 %.
Les dernières recherches appliquent les deux concepts pour relever le défi des peignes de fréquence électro-optiques à base de résonateur : compromis efficacité-bande passante.
« Nous avons démontré qu’en combinant ces deux approches – le résonateur couplé avec le peigne de fréquence électro-optique – nous pouvions améliorer considérablement l’efficacité sans sacrifier la bande passante. En fait, nous avons en fait amélioré la bande passante », a déclaré Yaowen Hu, assistant de recherche chez SEAS. et premier auteur de l’article.
« Nous avons constaté que lorsque vous améliorez les performances de la source de peigne à ce niveau, l’appareil commence à fonctionner dans un régime entièrement nouveau qui combine le processus de génération de peigne de fréquence électro-optique avec l’approche plus traditionnelle d’un peigne de fréquence Kerr », a déclaré Mengjie Yu, ancien boursier postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l’article.
Yu est actuellement professeur adjoint à l’Université de Californie du Sud.
Ce nouveau peigne peut générer des impulsions femtosecondes ultra-rapides à haute puissance. Avec le haut rendement et la large bande, cet appareil peut être utile pour des applications en astronomie, en informatique optique, en télémétrie et en métrologie optique.
La recherche a été co-écrite par Brandon Buscaino, Neil Sinclair, Di Zhu, Rebecca Cheng, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Mian Zhang et Joseph M. Kahn.
Yaowen Hu et al, générateurs de peignes de fréquence électro-optiques sur puce à haut rendement et à large bande, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01059-y