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Rétrécissement du peigne de fréquence laser

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Les filtres en peigne à fréquence laser ne laissent passer que des fréquences de lumière uniformément espacées et bien définies. Les fréquences uniformément espacées ressemblent aux dents d’un peigne, d’où le nom. Ils sont utilisés pour mesurer la fréquence et le temps avec une grande précision.

Des chercheurs de l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) et de l’Université de Californie à Santa Barbara (UCSB) travaillent à l’amélioration des peignes en les rétrécissant pour qu’ils tiennent sur une puce. Les microcombes proposées feront progresser les mesures de temps et de fréquence en améliorant et en étendant les capacités des monteurs de peignes.

Au cœur de ces microcombes de fréquence se trouve un microrésonateur optique, un appareil en forme d’anneau d’environ 0,02 mm de diamètre. Un laser externe envoie ses faisceaux dans l’anneau, où ils tournent en cercles des milliers de fois alors qu’ils s’intensifient. Les microcombes, souvent en verre ou en nitrure de silicium, nécessitent généralement un amplificateur pour la lumière laser externe, ce qui peut rendre le peigne complexe, lourd et coûteux à produire.

L’équipe du NIST utilise des microcombs créés à partir de l’arséniure de gallium et d’aluminium semi-conducteur, ce qui leur confère deux avantages distincts. Ils fonctionnent à une puissance si faible (1% de ce dont les peignes conventionnels ont besoin) que le laser n’a pas besoin d’amplificateur. De plus, ils peuvent être contrôlés pour créer un ensemble de fréquences extraordinairement stable, exactement ce qui est nécessaire pour utiliser le peigne à micropuce pour mesurer les fréquences avec une précision extraordinaire.

Cette configuration expérimentale génère un ensemble de fréquences stables dans un peigne de fréquence laser refroidi cryogéniquement. Le microrésonateur en forme d’anneau, suffisamment petit pour tenir sur une micropuce, fonctionne à faible puissance laser et est fabriqué à partir d’arséniure d’aluminium et de gallium semi-conducteur.NIST

Lors du développement des microcombes, les chercheurs ont d’abord été incapables d’obtenir que l’appareil génère un ensemble discret de fréquences inébranlables ou très stables.

L’équipe du NIST a résolu le problème en plaçant le peigne dans un appareil cryogénique qui permettait aux chercheurs de sonder l’appareil à des températures aussi basses que 4 degrés au-dessus du zéro absolu. L’expérience à basse température a révélé que les interactions entre la chaleur générée par le laser et la lumière circulant dans l’anneau empêchaient le peigne de générer les fréquences hautement stables nécessaires au bon fonctionnement.

À basses températures, l’équipe a démontré que le peigne pouvait atteindre le régime dit soliton dans lequel les impulsions lumineuses individuelles ne changent jamais de forme, de fréquence ou de vitesse lorsqu’elles circulent autour de l’anneau. Avec les solitons, toutes les dents du peigne de fréquence sont en phase les unes avec les autres, ce qui signifie qu’elles peuvent être utilisées comme référence pour mesurer les fréquences utilisées dans les horloges optiques, la synthèse de fréquence ou les mesures de distance au laser.

Bien que certains appareils cryogéniques récemment développés soient suffisamment petits pour être utilisés avec le nouveau microcomb en dehors du laboratoire et sur le terrain, l’objectif ultime de l’équipe est de créer un microcomb qui fonctionnera à température ambiante. Cela signifie que l’équipe devra soit refroidir, soit éviter tout échauffement excessif.

Une fois ces obstacles surmontés, les microcombes permettront aux ingénieurs et aux scientifiques d’effectuer des mesures précises de fréquence optique. Le microcomb peut être produit en masse en utilisant des techniques de nanofabrication similaires à celles déjà utilisées pour faire de la microélectronique. Une fois communément disponible, la technologie ouvrira les portes à une nouvelle génération d’horloges atomiques, à de nombreux autres signaux voyageant à travers les fibres optiques et à la capacité de discerner de minuscules changements de fréquence à la lumière des étoiles qui suggèrent la présence de planètes invisibles.

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