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Les peignes de fréquences progressent vers des usages concrets

Des peignes de fréquences optiques ont été mis au point. Ils repoussent les limites de la métrologie, depuis l'amélioration de la précision des radars jusqu'à la recherche d'exoplanètes semblables à la Terre. La mise au point de peignes de fréquences plus compacts leur ouvre une plus large gamme d'applications.
Les peignes de fréquences progressent vers des usages concrets
Un peigne de fréquences optiques est une source lumineuse générant des raies spectrales fines et régulièrement espacées, un peu comme les dents d'un peigne. La fréquence de ces raies étant connue, le peigne permet de mesurer des fréquences inconnues à partir des battements générés. Ces battements indiquent la différence entre la fréquence inconnue, à mesurer, et celles du peigne.

Jusqu'ici, les peignes de fréquences optiques ont été générés à l'aide de lasers pulsés en mode verrouillé, l'espacement égal des nombreuses raies étant défini par le taux de répétition des lasers. Une nouvelle catégorie de générateurs de peigne, monolithiques, a récemment été réalisée en couplant un laser à onde entretenue avec une microcavité de silice d'une finesse élevée. Cette nouvelle approche promet une compacité et un rendement sans précédent.

Les chercheurs du projet μCOMB (Microresonator based frequency comb generators), financé par l'UE, ont franchi plusieurs étapes vers la réalisation de tels dispositifs. Ils ont utilisé des résonateurs à cristaux et conçu des peignes de fréquences à microrésonateurs émettant dans l'infrarouge moyen, une plage particulièrement importante pour la détection de molécules.

L'équipe de μCOMB a exploré et optimisé diverses techniques de fabrication, pour obtenir des peignes de Kerr faits de structures et de matériaux différents. Parmi ces techniques, la définition de micro-anneaux par lithographie est compatible avec la technologie CMOS, ce qui permet d'intégrer dans une même structure monolithique les résonateurs et les guides d'ondes de couplage.

L'un des obstacles à surmonter a été la nécessité de rapprocher ces peignes des applications concrètes. En effet, ils présentent un bruit en phase notable, sous forme d'un élargissement des raies, qu'ils soient générés par des résonateurs cristallins ou au nitrure de silicium. Il s'est avéré que contrairement à ce que l'on pensait avant le projet μCOMB, la cause de ce bruit n'est pas externe mais intrinsèque au processus de formation du peigne.

Le fait d'expliquer des phénomènes jusqu'ici incompris a conduit à des actions efficaces pour surmonter le problème. Les chercheurs ont aussi déterminé les conditions nécessaires à un fonctionnement à faible bruit de phase. Une réussite révolutionnaire a été la réalisation d'états de mode verrouillé dans des microrésonateurs, avec une sortie qui associe des impulsions courtes et une répétition très rapide.

Ces états à faible bruit ont ouvert la voie vers des peignes de Kerr totalement stabilisés, qui sont maintenant à la portée des chercheurs. Quelques jours seulement après la fin du projet μCOMB, des chercheurs ont obtenu une cohérence temporelle sans précédent pour un spectre d'une octave, généré par un peigne de fréquences à microrésonateur.

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Mots-clés

Peignes de fréquences, raies spectrales, laser à onde entretenue, microrésonateur, détection moléculaire