Un concept d’artiste du micropeigne de fréquence développé par Kerry Vahala de Caltech et ses collaborateurs. Crédit : Yuan, Bowers, Vahala et al.
Les chercheurs de Caltech ont fait progresser la technologie des micropeignes de fréquence en utilisant du nitrure de silicium à très faible perte, surmontant ainsi les défis de dispersion grâce à une conception innovante. Ce développement pourrait conduire à l’intégration de micropeignes dans des dispositifs compacts, bénéficiant de procédés de fabrication rentables.
Lors de notre dernière visite avec Kerry Vahala de Caltech il y a trois ans, son laboratoire avait récemment signalé le développement d’un nouveau dispositif optique appelé micropeigne de fréquence clé en main qui a des applications dans les communications numériques, la chronométrage de précision, la spectroscopie et même l’astronomie.
La technologie Microcomb expliquée
Ce dispositif, fabriqué sur une plaquette de silicium, prend une lumière laser d’entrée d’une fréquence et la convertit en un ensemble uniformément espacé de nombreuses fréquences distinctes qui forment un train d’impulsions dont la durée peut être aussi courte que 100 femtosecondes (quadrillionièmes de seconde). (Le peigne dans le nom vient du fait que les fréquences sont espacées comme les dents d’un peigne à cheveux.)
Avancées dans le matériau Microcomb
Maintenant Vahala (BS ’80, MS ’81, PhD ’85), professeur Ted et Ginger Jenkins de Caltech en sciences et technologies de l’information et en physique appliquée et directeur général de la physique appliquée et de la science des matériaux, ainsi que des membres de son groupe de recherche et du groupe de John Bowers à l’UC Santa Barbara, ont réalisé une percée dans la manière dont les impulsions courtes se forment dans un nouveau matériau important appelé nitrure de silicium à très faible perte (nitrure ULL), un composé formé de silicium et d’azote. Le nitrure de silicium est préparé pour être extrêmement pur et déposé en couche mince.
En principe, les dispositifs à micropeignes à impulsions courtes fabriqués à partir de ce matériau nécessiteraient une très faible puissance pour fonctionner. Malheureusement, de courtes impulsions lumineuses (appelées solitons) ne peuvent pas être générées correctement dans ce matériau en raison d’une propriété appelée dispersion, qui fait voyager la lumière ou d’autres ondes électromagnétiques à des vitesses différentes, en fonction de leur fréquence. L’ULL a ce que l’on appelle une dispersion normale, ce qui empêche les guides d’ondes constitués de nitrure ULL de prendre en charge les impulsions courtes nécessaires au fonctionnement du micropeigne.
Surmonter les limitations optiques
Dans un article paru dans Photonique naturelle, les chercheurs discutent de leur développement du nouveau micropeigne, qui surmonte les limitations optiques inhérentes au nitrure ULL en générant des impulsions par paires. Il s’agit d’un développement important car le nitrure ULL est créé avec la même technologie que celle utilisée pour fabriquer des puces informatiques. Ce type de technique de fabrication signifie que ces micropeignes pourraient un jour être intégrés dans une grande variété d’appareils portables de forme similaire aux smartphones.
Conception et fonctionnalité des micropeignes
La caractéristique la plus distinctive d’un micropeigne ordinaire est une petite boucle optique qui ressemble un peu à une petite piste de course. Pendant le fonctionnement, les solitons se forment automatiquement et circulent autour de lui.
« Cependant, lorsque cette boucle est constituée de nitrure ULL, la dispersion déstabilise les impulsions du soliton », explique le co-auteur Zhiquan Yuan (MS ’21), étudiant diplômé en physique appliquée.
Imaginez la boucle comme une piste de course avec des voitures. Si certaines voitures roulent plus vite et d’autres plus lentement, elles s’étaleront alors qu’elles font le tour de la piste au lieu de rester en groupe serré. De même, la dispersion normale de l’ULL signifie que les impulsions lumineuses se propagent dans les guides d’ondes du micropeigne et que le micropeigne cesse de fonctionner.
Dans ce gif animé, des impulsions optiques (solitons) peuvent être vues tourner à travers des pistes optiques conjointes. Crédit : Yuan, Bowers, Vahala et al.
La solution imaginée par l’équipe était de créer plusieurs circuits, en les associant pour qu’ils ressemblent un peu à un huit. Au milieu de ce « 8 », les deux pistes sont parallèles l’une à l’autre avec seulement un petit écart entre elles.
Si nous continuons avec l’analogie avec les hippodromes, ce serait comme si deux pistes partageaient une seule d’emblée. Alors que les voitures de chaque voie convergent vers cette section partagée, elles rencontrent quelque chose qui ressemble à un embouteillage. Tout comme deux voies de circulation fusionnant en une seule sur une autoroute obligent les voitures à ralentir, la section conjointe des deux micropeignes force les impulsions laser appariées à se regrouper. Ce regroupement contrecarre la tendance des impulsions à s’étaler et permet aux micropeignes de fonctionner correctement.
Les voitures s’entassent dans la circulation alors qu’elles tentent de fusionner. Un phénomène similaire se produit dans les pistes optiques développées par Kerry Vahala et ses collègues chercheurs. Ce regroupement est la clé du fonctionnement de leur appareil. Crédit : Département des transports de l’Oregon
Approches innovantes et perspectives d’avenir
« En effet, cela contrecarre la dispersion normale et donne au système composite global l’équivalent d’une dispersion anormale », explique Maodong Gao (MS ’22), étudiant diplômé et co-auteur.
L’idée s’étend lorsque l’on ajoute encore plus de hippodromes et l’équipe a montré comment trois hippodromes fonctionneraient également en créant deux ensembles de paires d’impulsions. Vahala pense que le phénomène continuera à fonctionner même avec de nombreux hippodromes couplés (micropeignes), offrant ainsi un moyen de créer de grands réseaux de circuits photoniques pour les impulsions solitons.
Les nouveaux dispositifs à micropeignes, qui fonctionnent comme des paires de pistes optiques jointes, fonctionnent également lorsque de plus grands nombres sont combinés. Crédit : Yuan, Bowers, Vahala et al.
Comme indiqué ci-dessus, ces micropeignes ULL sont fabriqués avec le même équipement que celui utilisé pour fabriquer des puces informatiques basées sur la technologie complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS). Bowers, professeur de génie électrique et informatique, a collaboré à la recherche et note que « l’évolutivité de fabrication du processus CMOS signifie qu’il sera désormais plus facile et plus économique de fabriquer des micropeignes à impulsions courtes et de les intégrer dans les technologies et applications existantes. .»
Concernant ces applications, Vahala précise : « un peigne est comme un couteau suisse pour l’optique. Il a de nombreuses fonctions différentes, et c’est pourquoi c’est un outil si puissant.
L’article décrivant la recherche, « Paires d’impulsions solitons à plusieurs couleurs dans des microrésonateurs à dispersion normale », paraît dans le numéro de novembre de Photonique naturelle. Outre Vahala, Yuan et Gao, les autres co-auteurs sont Yan Yu, étudiant diplômé en physique appliquée ; Heming Wang (MS/PhD ’21), anciennement de Caltech et maintenant à l’Université de Stanford ; Warren Jin de l’UC Santa Barbara et Anello Photonics ; Qing-Xin Ji (MS ’22); Avi Feshali et Mario Paniccia d’Anello Photonics.
Le financement de la recherche a été assuré par la Defense Advanced Research Projects Agency, le Bureau conjoint des sciences et technologies de la Defense Threat Reduction Agency pour la défense chimique et biologique et le Bureau de la recherche scientifique de l’Armée de l’Air.
