Les chercheurs ont montré que les solitons Kerr dissipatifs (DKS) peuvent être utilisés pour créer des peignes de fréquence optiques sur puce avec une puissance de sortie suffisante pour être utilisés dans des horloges atomiques optiques et d’autres applications pratiques. Ces progrès pourraient conduire à des instruments basés sur des puces capables d’effectuer des mesures de précision qui n’étaient auparavant possibles que dans quelques laboratoires spécialisés.
Grégory Moille du Joint Quantum Institute, NIST/University of Maryland, présentera cette recherche à Frontiers in Optics + Laser Science (FiO LS), qui se tiendra du 9 au 12 octobre 2023 au Greater Tacoma Convention Center à Tacoma (région du Grand Seattle), Washington.
« Les peignes de fréquence sont omniprésents en métrologie : tout comme une règle mesure la longueur, ils nous permettent de mesurer la fréquence optique avec une grande précision », a déclaré Moille.
« Les fabriquer sur puce nous aide à réduire considérablement leur consommation d’énergie, mais réduit également la puissance dans chaque dent de peigne. Cela rend difficile l’interface des peignes sur puce avec d’autres systèmes comme les étalons de fréquence atomique. Nous montrons qu’en injectant simplement avec précaution un autre peigne faible laser dans le dispositif peigne, il nous permet de régler le système et donc d’optimiser la puissance de plusieurs dents de peigne de plus d’un ordre de grandeur.
Les peignes de fréquence optique émettent un train continu d’impulsions lumineuses courtes et rapprochées contenant des millions de couleurs, qui peuvent être utilisées pour mesurer les ondes lumineuses comme s’il s’agissait d’ondes radio. Cela permet de connecter des technologies telles que les horloges atomiques, les ordinateurs et les communications à des ondes optiques qui oscillent à des fréquences 10 000 fois plus élevées que celles trouvées dans l’électronique.
Alors que les peignes de fréquence optique conventionnels sont générés à l’aide de lasers à mode verrouillé qui ont tendance à être réservés aux laboratoires scientifiques haut de gamme, des travaux récents ont été réalisés pour développer des peignes de fréquence optique utilisant des microrésonateurs compacts à l’échelle d’une puce basés sur des DKS. Les DKS sont des paquets de lumière qui reposent sur un double équilibre de non-linéarité et de dispersion ainsi que de dissipation et de gain. Bien que les peignes basés sur DKS consomment très peu d’énergie, ils ne produisent pas non plus suffisamment de puissance de sortie pour être utiles.
Dans ces nouveaux travaux, les chercheurs exploitent la nouvelle synchronisation induite par Kerr des solitons de Kerr avec une référence laser externe stable pour produire des peignes de fréquence optique avec des niveaux de puissance plus élevés. Cela crée une augmentation substantielle de puissance de l’autre côté du spectre en peigne par rapport au laser de référence.
Les chercheurs démontrent, à la fois théoriquement et expérimentalement, qu’une pompe de référence externe à 193 THz permet de régler le taux de répétition d’un peigne s’étendant sur une octave. Cela permet de régler la condition d’adaptation de phase de la dent du peigne au niveau de l’onde dispersive de manière à optimiser sa puissance. Outre un effet d’auto-équilibrage, directement lié à la propriété de robustesse fondamentale du DKS, ils démontrent une augmentation de puissance de plus de 15 fois au niveau de la dent de peigne de 388 THz.
« Nous ne faisons qu’effleurer la surface des optimisations qui peuvent être effectuées », explique Moille. « Nous n’avons pas atteint la limite de puissance de cette optimisation et espérons atteindre un niveau de puissance compatible avec l’interfaçage direct de notre peigne avec d’autres systèmes »