Une nouvelle puce photonique génère un peigne de fréquence topologique imbriqué

Les scientifiques à la recherche de sources compactes et robustes de lumière laser multicolore ont généré le premier peigne de fréquence topologique. Leur résultat, qui repose sur une petite puce en nitrure de silicium ornée de centaines d'anneaux microscopiques, apparaît dans la revue Science.

La lumière d’un laser ordinaire brille avec une couleur unique et nettement définie – ou, de manière équivalente, une fréquence unique. Un peigne de fréquence est comme un laser gonflé, mais au lieu d'émettre une seule fréquence de lumière, un peigne de fréquence brille avec de nombreuses pointes de fréquence immaculées et uniformément espacées. L’espacement régulier entre les pointes ressemble aux dents d’un peigne, ce qui donne son nom au peigne de fréquence.

La création des premiers peignes de fréquence nécessitait un équipement volumineux. Plus récemment, les chercheurs se sont concentrés sur leur miniaturisation en plates-formes intégrées basées sur des puces. Malgré de grandes améliorations dans la réduction de l'équipement nécessaire à la génération des peignes de fréquence, les idées fondamentales n'ont pas changé. La création d'un peigne de fréquence utile nécessite une source de lumière stable et un moyen de disperser cette lumière dans les dents du peigne en tirant parti du gain optique, de la perte et d'autres effets qui apparaissent lorsque la source de lumière devient plus intense.

Dans le nouveau travail, Mohammad Hafezi, membre du JQI, qui est également professeur Minta Martin de génie électrique et informatique et de physique à l'Université du Maryland (UMD), Kartik Srinivasan, membre du JQI, qui est également membre du National Institute of Standards and Technology, et plusieurs collègues ont combiné deux axes de recherche pour créer une nouvelle méthode de génération de peignes de fréquences.

Une ligne tente de miniaturiser la création de peignes de fréquences à l'aide d'anneaux de résonateur microscopiques fabriqués à partir de semi-conducteurs. La seconde implique la photonique topologique, qui utilise des modèles de structures répétitives pour créer des chemins de lumière insensibles aux petites imperfections de fabrication.

“Le monde des peignes de fréquence explose dans les systèmes intégrés à anneau unique”, déclare Chris Flower, étudiant diplômé au JQI et au département de physique de l'UMD et auteur principal du nouvel article. “Notre idée était essentiellement la suivante : une physique similaire pourrait-elle être réalisée dans un réseau spécial de centaines d'anneaux couplés ? Cela représentait une escalade assez importante dans la complexité du système.”

En concevant une puce avec des centaines d'anneaux de résonateur disposés dans une grille bidimensionnelle, Flower et ses collègues ont conçu un motif complexe d'interférences qui capte la lumière laser d'entrée et la fait circuler autour du bord de la puce tandis que le matériau de la puce lui-même la divise. jusqu'à plusieurs fréquences.

Au cours de l’expérience, les chercheurs ont pris des instantanés de la lumière au-dessus de la puce et ont montré qu’elle circulait en fait autour du bord. Ils ont également siphonné une partie de la lumière pour effectuer une analyse haute résolution de ses fréquences, démontrant que la lumière en circulation avait deux fois la structure d’un peigne de fréquences. Ils ont trouvé un peigne avec des dents relativement larges, et nichés dans chaque dent, ils ont trouvé un peigne plus petit caché.

Bien que ce peigne imbriqué ne soit pour l'instant qu'une preuve de concept (ses dents ne sont pas tout à fait espacées uniformément et elles sont un peu trop bruyantes pour être qualifiées d'immaculées), le nouveau dispositif pourrait à terme conduire à un équipement de peigne de fréquence plus petit et plus efficace, capable de être utilisé dans les horloges atomiques, les détecteurs de télémétrie, les capteurs quantiques et de nombreuses autres tâches nécessitant des mesures précises de la lumière.

L'espacement bien défini entre les pointes dans un peigne de fréquence idéal en fait d'excellents outils pour ces mesures. Tout comme les lignes régulièrement espacées d’une règle permettent de mesurer la distance, les pointes régulièrement espacées d’un peigne de fréquence permettent de mesurer des fréquences lumineuses inconnues. Le mélange d'un peigne de fréquence avec une autre source lumineuse produit un nouveau signal qui peut révéler les fréquences présentes dans la deuxième source.

La répétition engendre la répétition

Au moins qualitativement, le motif répétitif de résonateurs annulaires microscopiques sur la nouvelle puce engendre le motif de pointes de fréquence qui circulent autour de son bord.

Individuellement, les microanneaux forment de minuscules petites cellules qui permettent aux photons – les particules quantiques de lumière – de passer d’un anneau à l’autre. La forme et la taille des micro-anneaux ont été soigneusement choisies pour créer le bon type d'interférence entre les différents chemins de saut, et pris ensemble, les anneaux individuels forment un super-anneau. Collectivement, tous les anneaux dispersent la lumière d’entrée dans les nombreuses dents du peigne et les guident le long du bord de la grille.

Les micro-anneaux et le plus grand super-anneau fournissent au système deux échelles de temps et de longueur différentes, car la lumière met plus de temps à parcourir le plus grand super-anneau que n'importe lequel des micro-anneaux plus petits. Cela conduit finalement à la génération de deux peignes de fréquence imbriqués : l’un est un peigne grossier produit par les microanneaux plus petits, avec des pointes de fréquence largement espacées. Au sein de chacune de ces pointes grossièrement espacées se trouve un peigne plus fin, produit par le super-anneau.

Les auteurs affirment que cette structure de peigne dans un peigne, qui rappelle les poupées gigognes russes, pourrait être utile dans des applications nécessitant des mesures précises de deux fréquences différentes séparées par un large écart.

Bien faire les choses

Il a fallu plus de quatre ans pour que l'expérience se concrétise, un problème exacerbé par le fait qu'une seule entreprise au monde pouvait fabriquer les puces conçues par l'équipe.

Les premiers échantillons de copeaux présentaient des microanneaux trop épais et des courbures trop prononcées. Une fois que la lumière d’entrée traversait ces anneaux, elle se disperserait de toutes sortes de manières indésirables, anéantissant tout espoir de générer un peigne de fréquences.

“La première génération de puces n'a pas fonctionné du tout à cause de cela”, explique Flower. Revenant au design, il a réduit la largeur de l’anneau et arrondi les coins, pour finalement atterrir sur une troisième génération de puces, livrée mi-2022.

En parcourant la conception de la puce, Flower et ses collègues ont également découvert qu'il serait difficile de fournir suffisamment de puissance laser à la puce. Pour que leur puce fonctionne, l’intensité de la lumière d’entrée devait dépasser un seuil, sinon aucun peigne de fréquence ne se formerait.

Normalement, l’équipe aurait opté pour un laser CW commercial, qui délivre un faisceau de lumière continu. Mais ces lasers délivraient trop de chaleur aux puces, les faisant brûler ou gonfler et se désaligner avec la source lumineuse. L’équipe devait concentrer l’énergie en rafales pour résoudre ces problèmes thermiques. Elle s’est donc tournée vers un laser pulsé qui délivre son énergie en une fraction de seconde.

Mais cela a posé ses propres problèmes : les lasers pulsés disponibles dans le commerce avaient des impulsions trop courtes et contenaient trop de fréquences. Ils avaient tendance à introduire un fouillis de lumière indésirable, à la fois sur le bord de la puce et à travers son milieu, au lieu de la lumière particulière contrainte par les bords que la puce était conçue pour disperser dans un peigne de fréquences. En raison du long délai de livraison et des dépenses liées à l'obtention de nouvelles puces, l'équipe devait s'assurer de trouver un laser qui équilibrait la fourniture de puissance de pointe avec des impulsions réglables de plus longue durée.

“J'ai envoyé des e-mails à pratiquement toutes les entreprises de laser”, explique Flower. “J'ai cherché quelqu'un qui me fabriquerait un laser réglable sur mesure et à longue durée d'impulsion. La plupart des gens ont dit qu'ils n'avaient pas fabriqué cela et qu'ils étaient trop occupés pour fabriquer des lasers personnalisés. Mais une entreprise en France m'a répondu et m'a dit : “Nous pouvons le faire. Parlons-en.”

Sa persévérance a porté ses fruits, et après quelques expéditions depuis la France pour installer un système de refroidissement plus robuste pour le nouveau laser, l'équipe a finalement envoyé le bon type de lumière dans leur puce et a vu un peigne de fréquences imbriqué en sortir.

L’équipe affirme que même si leur expérience est spécifique à une puce en nitrure de silicium, la conception pourrait facilement être transposée à d’autres matériaux photoniques susceptibles de créer des peignes dans différentes bandes de fréquences. Ils considèrent également leur puce comme l'introduction d'une nouvelle plate-forme pour l'étude de la photonique topologique, en particulier dans les applications où il existe un seuil entre un comportement relativement prévisible et des effets plus complexes, comme la génération d'un peigne de fréquences.