Les solitons optiques sont des paquets d'ondes spéciaux qui se propagent sans changer de forme. Dans les communications optiques, les solitons peuvent être utilisés pour générer des peignes de fréquence avec différentes raies spectrales, qui permettent de réaliser des systèmes de communication optique de grande capacité particulièrement efficaces et compacts. Cela a été démontré récemment par des chercheurs de l'Institut de photonique et d'électronique quantique (IPQ) et de l'Institut de technologie des microstructures (IMT) du KIT, ainsi que par des chercheurs du Laboratoire de photonique et de mesures quantiques (LPQM) de l'EPFL.

Comme indiqué dans La nature , les chercheurs ont utilisé des microrésonateurs en nitrure de silicium qui peuvent facilement être intégrés dans des systèmes de communication compacts. Au sein de ces résonateurs, les solitons circulent en continu, générant ainsi des peignes de fréquence optique à large bande. De tels peignes de fréquence, pour lequel John Hall et Theodor W. Hänsch ont reçu le prix Nobel de physique en 2005, se composent d'une multitude de raies spectrales, alignés sur une grille régulière équidistante. Traditionnellement, les peignes de fréquence servent de références optiques de haute précision pour la mesure des fréquences. Les peignes de fréquence dits Kerr présentent de grandes bandes passantes optiques ainsi que des espacements de lignes assez importants, et sont particulièrement bien adaptés à la transmission de données. Chaque raie spectrale individuelle peut être utilisée pour transmettre un canal de données séparé.

Dans leurs expériences, les chercheurs de Karlsruhe et de Lausanne ont utilisé deux peignes de fréquence entrelacés pour transmettre des données sur 179 porteuses optiques individuelles, qui couvrent complètement les bandes C et L des télécommunications optiques et permettent une transmission de données à un débit de 55 térabits par seconde sur une distance de 75 kilomètres. "Cela équivaut à plus de cinq milliards d'appels téléphoniques ou à plus de deux millions de chaînes de télévision HD. C'est le débit de données le plus élevé jamais atteint en utilisant une source de peigne de fréquence au format puce, " explique Christian Koos, professeur à l'IPQ et à l'IMT du KIT et récipiendaire d'une bourse de chercheur indépendant débutant du Conseil européen de la recherche (ERC) pour ses recherches sur les peignes de fréquence optique.

Les composants ont le potentiel de réduire considérablement la consommation d'énergie de la source lumineuse dans les systèmes de communication. Les travaux des chercheurs reposent sur des microrésonateurs optiques à faible perte en nitrure de silicium. Dans ces, l'état soliton décrit a été pour la première fois généré par le groupe de travail autour du professeur Tobias Kippenberg à l'EPFL en 2014. Expliquant les avantages de l'approche, Le professeur Kippenberg dit, "Nos sources de peigne à solitons sont parfaitement adaptées à la transmission de données et peuvent être produites en grandes quantités à faible coût sur des micropuces compactes." Le soliton se forme par des processus optiques dits non linéaires se produisant en raison de la forte intensité du champ lumineux dans le microrésonateur. Le microrésonateur n'est pompé qu'à travers un laser à onde continue à partir duquel, au moyen du soliton, des centaines de nouvelles lignes laser équidistantes sont générées. Les sources peignes sont actuellement mises en application par une spin-off de l'EPFL.

L'ouvrage publié dans La nature montre que les sources peignes de fréquence solitons microrésonateurs peuvent augmenter considérablement les performances des techniques de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) dans les communications optiques. Le WDM permet de transmettre des débits de données ultra-élevés en utilisant une multitude de canaux de données indépendants sur un seul guide d'ondes optique. À cette fin, l'information est codée sur la lumière laser de différentes longueurs d'onde. Pour une communication cohérente, Les sources de peigne de fréquence soliton microrésonateur peuvent être utilisées non seulement au niveau de l'émetteur, mais aussi du côté récepteur des systèmes WDM. Les sources en peigne augmentent considérablement l'évolutivité des systèmes respectifs et permettent une transmission de données cohérente hautement parallèle avec la lumière. Selon Christian Koos, il s'agit d'une étape importante vers des émetteurs-récepteurs à puce hautement efficaces pour les futurs réseaux pétabit.