La mesure précise des fréquences de lumière est nécessaire pour le chronométrage. C'est aussi un élément essentiel dans de nombreuses expériences et technologies scientifiques, de la défense militaire à la détection de la pollution atmosphérique, tests de physique fondamentale à la détection d'exoplanètes. « Il y a peu d'entreprises humaines qui soient à la fois plus fondamentales et plus importantes pour la technologie, " dit Curtis Menyuk, professeur d'informatique et de génie électrique à l'UMBC.
Depuis son invention en 2000, un dispositif de mesure spécial appelé peigne de fréquence optique est devenu un outil puissant pour effectuer ces mesures. Un peigne de fréquence se compose de nombreuses fréquences régulièrement espacées qui sont comme les dents d'un peigne. Ces dents fonctionnent comme les lignes d'une règle, permettant de mesurer des fréquences avec une précision et une vitesse sans précédent. Les peignes de fréquence se sont avérés si importants que la moitié du prix Nobel de physique en 2005 a été décerné à John Hall et Theodor Hänsch pour les avoir développés et démontré leur utilité.
Cependant, « Une difficulté avec la plupart des systèmes de peignes est qu'ils nécessitent des systèmes coûteux, équipement à base de laser, " dit Menyuk. En 2009, un groupe de recherche en Suisse a montré qu'il est possible d'utiliser de minuscules résonateurs millimétriques, appelés microrésonateurs, pour générer des peignes de fréquence. Cela a conduit à un effort mondial pour développer ces peignes pour des applications. Aux Etats-Unis, cet effort a été soutenu par la NSF, Nasa, et DARPA.
Cependant, cet effort a fait face à des défis importants, trop. Un défi est que la puissance de chaque "dent" du peigne est trop faible sans amplification importante, ce qui nécessite une grande, système externe. Un autre défi consiste à générer le peigne en premier lieu, "ce qui nécessite encore un système de démarrage élaboré, " Explique Menyuk. " En conséquence, le système n'est pas compact, ce qui va à l'encontre de l'objectif d'utiliser des microrésonateurs."
Un nouveau papier en Optique , co-écrit par Menyuk, son étudiant diplômé Zhen Qi, et leurs collègues de l'Université technologique de Pereira et de l'Université Purdue, décrivent une approche qui peut potentiellement résoudre ces deux problèmes en utilisant de nouvelles formes d'ondes lumineuses.
Tous les systèmes de peignes de fréquence à ce jour ont utilisé des ondes lumineuses spéciales appelées solitons, que Menyuk étudie depuis plus de trente ans. Il, Qi, et leurs co-auteurs ont suggéré que les formes lumineuses inhabituelles appelées ondes cnoïdales ou rouleaux de Turing sont mieux adaptées que les solitons à la petite taille des microrésonateurs. Ils ont démontré théoriquement que les peignes utilisant ces formes d'onde peuvent être obtenus en allumant simplement la source d'alimentation du microrésonateur, contrairement aux peignes soliton, et produire des dents de peigne beaucoup plus puissantes, ce qui résoudrait les deux problèmes majeurs qui ralentissent le développement des microrésonateurs.
"Le développement réussi de compact, les peignes de fréquence sur puce élargiront considérablement la gamme d'applications des peignes de fréquence, " dit Menyuk. "En particulier, ils augmenteraient considérablement la rapidité avec laquelle les données pourraient être synchronisées à travers les distances, permettant des applications que nous ne pouvons qu'imaginer pour le moment."
