Les peignes de fréquence sont en train de devenir l'une des grandes technologies habilitantes du 21e siècle. Horloges atomiques de haute précision, et la spectroscopie de haute précision ne sont que deux technologies qui ont bénéficié du développement de peignes de fréquence très précis. Cependant, les sources de peigne de fréquence d'origine nécessitaient une salle pleine d'équipements. Et il s'avère que si vous suggérez qu'une pièce remplie d'équipements délicats est parfaite pour une application commerciale, l'ingénieur de développement se dirige droit vers la sortie la plus proche.

Ces inconvénients seraient résolus en fabriquant des dispositifs à base de puces suffisamment robustes pour résister aux rigueurs d'une utilisation quotidienne. Pour faire ça, les scientifiques doivent équilibrer les propriétés des matériaux avec le comportement de la lumière dans un guide d'ondes. Cet équilibre est plus facile à concevoir en verre, tandis que pour les applications et l'intégration avec les appareils existants, il serait préférable d'utiliser du silicium.

Il est difficile de réaliser des peignes de fréquences très larges à partir de guides d'ondes en silicium, mais une ingénierie intelligente des guides d'ondes est peut-être sur le point de rendre cette tâche un peu plus facile. Zhang et ses collègues, rapport dans Photonique avancée , ont montré un moyen de fabriquer un guide d'ondes à gradient d'indice qui permet à la largeur d'un peigne de fréquence d'être plus que doublé (par rapport à un guide d'ondes normal).

Alignement de pointe pour un peigne plus large ?

Un peigne de fréquence est un spectre lumineux qui se compose de nombreuses fréquences très bien définies qui sont également espacées. Un spectre de puissance ressemble plutôt à un peigne, d'où le nom.

La génération de peigne de fréquence est un équilibre délicat entre les propriétés matérielles qui permettent à la lumière de générer de nouvelles couleurs de lumière (appelée non-linéarité optique), la configuration du chemin parcouru par la lumière (le résonateur optique), et la dispersion (comment la vitesse de la lumière varie avec la longueur d'onde dans le matériau). Le dernier élément, dispersion, est généralement le tueur, et c'est là que se concentre le travail de Zhang et de ses collègues. Pour générer un peigne de fréquence très large, les couleurs qui composent le peigne doivent toutes rester en phase les unes avec les autres. Concrètement :si deux vagues en un point ont leurs sommets alignés, puis à un moment donné plus loin dans l'espace et le temps, ces pics devraient toujours s'aligner. Mais, ordinairement, ça n'arrive jamais, et les sommets glissent l'un sur l'autre, empêchant la génération de nouvelles fréquences.

L'ingénierie à la rescousse

Pour compenser la dispersion de matière, les chercheurs se tournent souvent vers l'ingénierie des guides d'ondes. Puisque les guides d'ondes sont faits de matériaux, ils ont une dispersion, et le confinement du guide d'onde lui-même introduit un autre type de dispersion. Cette dispersion dépend de la forme du guide d'onde, les dimensions, ainsi que les matériaux utilisés. Cela permet aux ingénieurs de contrer la dispersion des matériaux grâce à la conception de leur guide d'ondes.

Mais, c'est un travail difficile dans le silicium. Le noyau de silicium a un indice de réfraction élevé par rapport à la gaine de verre. La grande différence entre les deux crée une forte dispersion qui surcompense la dispersion du matériau.

L'idée de Zhang et de ses collègues est que l'interface entre le revêtement de verre et le noyau de silicium n'a pas besoin d'être nette. Ils ont conçu un guide d'ondes doté d'un noyau en silicium avec une structure en arête de poisson qui s'étend vers l'extérieur dans le revêtement en verre. L'indice de réfraction effectif dans la région mixte est la moyenne du verre et du silicium, qui passe progressivement du silicium au verre :un guide d'onde à gradient d'indice.

Dans l'indice gradué, les couleurs rouges s'étalent pour occuper une zone plus large du guide d'ondes, tandis que les couleurs plus bleues sont plus étroitement confinées. L'effet net est que les différentes longueurs d'onde se comportent comme si elles voyageaient dans des guides d'ondes de largeurs différentes, alors qu'ils voyagent ensemble dans le même guide d'ondes. Les chercheurs appellent cet effet une limite auto-adaptative. Ils ont exploré différentes configurations pour la structure en arête de poisson. Chaque configuration a augmenté la plage de longueurs d'onde sur laquelle la dispersion était faible.

Pour confirmer que leurs guides d'ondes à gradient d'indice conduiraient à de meilleurs peignes de fréquence, l'équipe a modélisé la génération de peignes de fréquence dans des guides d'ondes standard et à gradient d'indice. Ils ont montré que le spectre de fréquences était étendu d'environ 20 THz à environ 44 THz.

Allume la lumière

Jusqu'à présent, les chercheurs n'ont calculé et modélisé que leurs structures. Cependant, les structures proposées ont toutes été choisies dans un souci de fabrication, donc une fois qu'ils auront leurs costumes de lapin, les appareils de test devraient être en route. Ensuite, les peignes de fréquence en silicium peuvent vraiment se pavaner. Un bon exemple :le silicium est transparent sur une large plage de l'infrarouge, qui est également la gamme de longueurs d'onde nécessaire pour l'identification spectroscopique des molécules. Un peigne de fréquence basé sur une puce permettra des spectromètres compacts de haute précision et de haute sensibilité.