Les peignes de fréquence optique sont des lasers spécialement conçus qui agissent comme des dirigeants pour mesurer avec précision et rapidement des fréquences de lumière spécifiques. Ils peuvent être utilisés pour détecter et identifier les produits chimiques et les polluants avec une précision extrêmement élevée.
Les peignes de fréquence seraient idéaux pour les capteurs à distance ou les spectromètres portables car ils peuvent permettre une surveillance précise et en temps réel de plusieurs produits chimiques sans pièces mobiles complexes ni équipement externe.
Mais développer des peignes de fréquence avec une bande passante suffisamment élevée pour ces applications a été un défi. Souvent, les chercheurs doivent ajouter des composants volumineux qui limitent l'évolutivité et les performances.
Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT a démontré un appareil compact et entièrement intégré qui utilise un miroir soigneusement conçu pour générer un peigne de fréquence stable avec une bande passante très large. Le miroir qu'ils ont développé, ainsi qu'une plate-forme de mesure sur puce, offre l'évolutivité et la flexibilité nécessaires pour les capteurs à distance productibles en masse et les spectromètres portables. Ce développement pourrait permettre des moniteurs environnementaux plus précis qui peuvent identifier plusieurs produits chimiques nocifs des gaz traces dans l'atmosphère.
« The broader the bandwidth a spectrometer has, the more powerful it is, but dispersion is in the way. Here we took the hardest problem that limits bandwidth and made it the centerpiece of our study, addressing every step to ensure robust frequency comb operation, » says Hu, Distinguished Professor in Electrical Engineering and Computer Science at MIT, principal investigator in the Research Laboratory of Electronics, and senior author on an open-access paper describing the travail maintenant publié dans Lumière: Science et applications.
Peignes à large bande
Un peigne à fréquence optique produit un spectre de lignes laser également espacées, qui ressemblent aux dents d'un peigne.
Les scientifiques peuvent générer des peignes de fréquence en utilisant plusieurs types de lasers pour différentes longueurs d'onde. En utilisant un laser qui produit un rayonnement infrarouge à ondes longues, comme un laser en cascade quantique, ils peuvent utiliser des peignes de fréquence pour la détection et la spectroscopie haute résolution.
Dans la spectroscopie à double CAMB (DCS), le faisceau d'un peigne de fréquence se déplace directement à travers le système et frappe un détecteur à l'autre extrémité. Le faisceau du peigne de deuxième fréquence passe par un échantillon chimique avant de frapper le même détecteur. En utilisant les résultats des deux peignes, les scientifiques peuvent répliquer fidèlement les caractéristiques chimiques de l'échantillon à des fréquences beaucoup plus basses, où les signaux peuvent être facilement analysés.
Les peignes de fréquence doivent avoir une bande passante élevée, ou ils ne pourront détecter qu'une petite gamme de fréquences de composés chimiques, ce qui pourrait entraîner de fausses alarmes ou des résultats inexacts.
La dispersion est le facteur le plus important qui limite la bande passante d'un peigne de fréquence. S'il y a une dispersion, les lignes laser ne sont pas également espacées, ce qui est incompatible avec la formation de peignes de fréquence.
« Avec un rayonnement infrarouge à ondes longues, la dispersion sera très élevée. Il n'y a aucun moyen de le contourner, nous devons donc trouver un moyen de le compenser ou de le contrer en gérant notre système », explique Hu.
De nombreuses approches existantes ne sont pas suffisamment flexibles pour être utilisées dans différents scénarios ou ne permettent pas une bande passante suffisamment élevée.
Le groupe de HU a précédemment résolu ce problème dans un type de peigne de fréquence différent, celui qui utilisait des ondes térahertz, en développant un miroir à double gorge (DCM).
Un DCM est un type spécial de miroir optique qui a plusieurs couches avec des épaisseurs qui changent progressivement d'une extrémité à l'autre. Ils ont constaté que ce DCM, qui a une structure ondulée, pourrait compenser efficacement la dispersion lorsqu'il est utilisé avec un laser térahertz.
« Nous avons essayé d'emprunter cette astuce et de l'appliquer à un peigne infrarouge, mais nous avons rencontré beaucoup de défis », explique Hu.
Parce que les ondes infrarouges sont 10 fois plus courtes que les vagues de térahertz, la fabrication du nouveau miroir nécessitait un niveau de précision extrême. Dans le même temps, ils devaient enrober tout le DCM dans une épaisse couche d'or pour éliminer le feu sous le fonctionnement du laser. De plus, leur système de mesure de dispersion, conçu pour les ondes Terahertz, ne fonctionnerait pas avec des ondes infrarouges, qui ont des fréquences qui sont environ 10 fois plus élevées que Terahertz.
« Après plus de deux ans à essayer de mettre en œuvre ce programme, nous avons atteint une impasse », explique Hu.
Une nouvelle solution
Prêt à jeter l'éponge, l'équipe a réalisé quelque chose qu'ils avaient manqué. Ils avaient conçu le miroir avec une ondulation pour compenser le laser Terahertz avec perte, mais les sources de rayonnement infrarouge ne sont pas aussi pertes.
Cela signifiait qu'ils pouvaient utiliser une conception DCM standard pour compenser la dispersion, qui est compatible avec le rayonnement infrarouge. Cependant, ils devaient encore créer des couches de miroir incurvées pour capturer le faisceau du laser, ce qui a rendu la fabrication beaucoup plus difficile que d'habitude.
« Les couches adjacentes de miroir ne diffèrent que par des dizaines de nanomètres. Ce niveau de précision empêche les techniques de photolithographie standard.
En plus de fabriquer avec précision le DCM, ils ont intégré le miroir directement sur le laser, ce qui rend l'appareil extrêmement compact. L'équipe a également développé une plate-forme de mesure de dispersion sur puce haute résolution qui ne nécessite pas d'équipement externe encombrant.
« Notre approche est flexible. Tant que nous pouvons utiliser notre plate-forme pour mesurer la dispersion, nous pouvons concevoir et fabriquer un DCM qui le compense », ajoute Hu.
Dans l'ensemble, la plate-forme de mesure DCM et sur puce a permis à l'équipe de générer des peignes de fréquence laser infrarouge stables qui avaient une bande passante bien plus grande que ce qui peut généralement être obtenu sans DCM.
À l'avenir, les chercheurs veulent étendre leur approche à d'autres plates-formes laser qui pourraient générer des peignes avec une bande passante encore plus grande et une puissance plus élevée pour des applications plus exigeantes.
« Ces chercheurs ont développé un schéma ingénieux de compensation de dispersion nanophotonique basé sur un miroir à double mégrité à double gorge intégré.
« Leur travail ouvre la porte à des peignes de fréquence pratiques à l'échelle des puces pour des applications allant de la détection chimique aux communications en espace libre », explique Jacob B. Khurgin, professeur à la Johns Hopkins University Whiting School of Engineering, qui n'était pas impliquée dans le journal.
