Une nouvelle puce photonique peut doubler la fréquence (f) de la lumière entrante à l'aide d'un anneau circulaire de 23 microns de diamètre. L'anneau est conçu pour générer et maintenir la lumière à la fréquence d'entrée et à sa deuxième harmonique (2f) - tout comme les cordes de piano ou les tubes d'orgue peuvent accueillir des harmoniques d'un seul ton. La couleur indique les crêtes et les creux du champ lumineux, similaire au motif de déplacement d'une corde de piano lorsqu'elle sonne. Crédit :Xiyuan Lu/NIST et UMD
L'ère numérique a vu l'électronique, y compris les puces informatiques, rétrécir en taille à un rythme incroyable, avec des puces toujours plus petites alimentant des appareils comme les smartphones, ordinateurs portables et même des drones autonomes. À la suite de ces progrès, une autre technologie miniature fait son chemin :la photonique intégrée.
photons, qui sont les particules quantiques de lumière, ont des avantages par rapport aux électrons, les homonymes de l'électronique. Pour certaines applications, les photons offrent un transfert d'informations plus rapide et plus précis et utilisent moins d'énergie que les électrons. Et parce que la photonique sur puce est en grande partie construite à l'aide de la même technologie que celle créée pour l'industrie électronique, ils portent la promesse d'intégrer l'électronique et la photonique sur une même puce.
De minuscules puces photoniques ont déjà été adoptées dans de nombreux endroits, y compris les réseaux de télécommunications (pensez à l'internet par fibre optique) et les grands centres de données (pensez à l'interfaçage de la fibre optique avec l'électronique). D'autres industries sont sur le point de bénéficier de la photonique, avec des constructeurs automobiles autonomes développant des puces radar basées sur la lumière. Cependant, de nombreux outils bien établis dans l'optique traditionnelle - des choses qui utilisent des lasers, lentilles et autres équipements encombrants - n'ont pas encore d'analogue photonique compact. Pour les outils futuristes comme les ordinateurs quantiques basés sur la lumière ou les horloges optiques portables, il reste encore du travail pour tout emballer.
Maintenant, les chercheurs de JQI ont ajouté un nouvel outil à la boîte à outils photonique :une façon d'utiliser le silicium, le matériau natif d'une grande partie de l'électronique numérique et de la photonique, pour doubler efficacement la fréquence de la lumière laser. En combinant deux techniques existantes, l'équipe a atteint une efficacité de doublement de fréquence 100 fois supérieure à celle des expériences précédentes avec des composés de silicium. Ils ont détaillé leurs résultats dans un article publié dans la revue Photonique de la nature .
Les ondes lumineuses sont constituées de photons, mais ils portent aussi une fréquence. Nos yeux voient une petite fraction de ces fréquences comme les couleurs de l'arc-en-ciel, mais micro-ondes, Les rayons X et les ondes radio (entre autres) habitent également ce spectre. Doubler la fréquence de la lumière est un moyen de convertir entre ces différentes plages. Dans le nouveau travail, l'équipe a démontré un doublement de la lumière infrarouge - couramment utilisée dans les télécommunications optiques - en lumière rouge, le langage des horloges atomiques très précises.
Le doublement de fréquence est un effet qui peut se produire lorsque la lumière interagit avec le milieu qu'elle traverse, que ce soit aérien, eau ou silicone. Selon les propriétés de ces matériaux, un peu de lumière peut être doublée, triplé, ou, dans des cas extrêmes, multiplié à des degrés encore plus élevés, comme une note de musique générant aussi un peu de son, deux, ou plusieurs octaves vers le haut. En choisissant le bon matériau, et l'éclairant de la bonne manière, les chercheurs peuvent accéder à l'harmonique dont ils ont besoin.
Malheureusement, le silicium et les composés de silicium - les matériaux de choix pour acheminer la lumière sur une puce en raison de la maturité de la fabrication du silicium et de la facilité d'intégration avec l'électronique - ne prennent pas intrinsèquement en charge le doublement de fréquence. La structure cristalline est trop uniforme, ce qui signifie qu'il semble le même dans toutes les directions. Cela interdit l'effet de doublement, qui repose sur le fait que les électrons du matériau se déplacent dans un sens plus que dans un autre sous l'influence de la lumière. Mais une fois que la lumière est confinée à une toute petite trace sur une puce, les choses deviennent un peu moins uniformes :après tout, l'air est toujours à proximité, et ça ne ressemble pas du tout à un cristal de silicium. Donc, une infime quantité de lumière à fréquence doublée est générée, mais généralement il ne suffit pas d'être utile.
Dans le nouveau travail, une équipe dirigée par JQI Fellow Kartik Srinivasan, membre du National Institute of Standards and Technology (NIST), et chercheur postdoctoral NIST et UMD Xiyuan Lu, combiné deux techniques précédemment explorées pour s'appuyer sur ce petit effet, générant 100 fois plus de lumière à fréquence doublée que toutes les expériences précédentes sur le silicium. En outre, leur doublement s'est produit avec une efficacité de 22%, suffisamment appréciable pour être utile dans les applications.
La première astuce consistait à capter la lumière dans un résonateur, faire tourner la lumière en rond et déclencher le minuscule effet de doublement encore et encore. Pour y parvenir, les chercheurs ont d'abord acheminé la lumière laser dans le proche infrarouge dans une fibre optique. La fibre a ensuite envoyé la lumière dans un guide d'ondes en nitrure de silicium imprimé sur une puce en silicium. Ce guide d'ondes a conduit à un autre guide d'ondes, qui était enroulé dans un cercle de seulement 23 microns de diamètre. Le résonateur circulaire, qui a été conçu pour capturer la lumière entrante et la faire circuler, a permis à un tout petit peu de doublement de fréquence de se produire encore et encore. Un autre guide d'ondes droit, de l'autre côté du résonateur, a été réglé pour emporter la lumière doublée de fréquence.
La deuxième astuce consistait à rendre le silicium moins uniforme en le polarisant avec un champ électrique. Heureusement, aucun champ externe n'était réellement nécessaire - la petite quantité de lumière a doublé la fréquence, combiné avec la lumière de pompe infrarouge d'origine, fait se rassembler les électrons dans le résonateur sur les bords, créant un champ électrique constant. Ce champ a grandement amélioré la capacité de doublement de fréquence du nitrure de silicium.
"C'est un processus de rétroaction, " dit Srinivasan, "Parce qu'un peu de lumière doublée de fréquence et de lumière de pompe commencent à créer le champ électrique constant, rendre le processus de doublement de fréquence plus fort, ce qui à son tour crée plus de lumière doublée en fréquence. Donc, la lumière de la pompe et la lumière à fréquence doublée circulent dans cet anneau, et il y a cette énorme capacité à prendre cette chose qui a commencé comme extrêmement faible, et ensuite en faire un effet assez fort."
Faire fonctionner ces deux effets dans le même appareil n'a pas été facile. Non seulement l'anneau du résonateur doit être exactement de la bonne taille pour piéger la pompe et la lumière doublée de fréquence, la lumière doit également s'empiler dans le bon sens dans le résonateur. Pour y parvenir, des simulations détaillées et une fabrication précise en salle blanche sont nécessaires. Mais une fois qu'un appareil aussi précis est fabriqué, tout ce que vous avez à faire est d'envoyer la lumière de la pompe, et observez la lumière doublée en fréquence à la sortie.
« Pour permettre une interaction efficace entre la lumière et la matière, la lumière de différentes couleurs doit vivre longtemps et aussi se déplacer exactement à la même vitesse, " dit Lou, "Notre appareil met en œuvre ces deux facteurs clés dans le doublement de fréquence photo-induit, ce qui augmente considérablement l'efficacité énergétique de ce processus."
Cet appareil est une autre étape dans une longue quête pour parvenir à un portable, horloge atomique ultra précise. "Ces horloges optiques sont ces incroyables appareils de chronométrage, mais généralement ils sont dans un grand laboratoire, " dit Srinivasan. " Si cela pouvait être dans un petit paquet, cela pourrait aller sur des voitures, des drones ou d'autres véhicules. Le timing est à la base de nombreuses applications de navigation importantes, et pour la plupart, maintenant, les gens se fient aux signaux GPS. Mais il y a toutes sortes de possibilités qu'il y ait quelque chose sur le chemin, et vous ne pouvez pas acquérir ces signaux, ou quelqu'un usurpe le signal. Donc, avoir des instruments de chronométrage portables qui pourraient vraiment vous donner un temps précis et précis pour de longues périodes avant que vous n'ayez besoin d'un signal de synchronisation du GPS est significatif."
Bien que ce ne soit pas la vedette du spectacle, le doublement de fréquence est un composant nécessaire dans les horloges atomiques optiques. Ces horloges produisent un battement extrêmement régulier, mais à des fréquences optiques, des centaines de milliards d'oscillations de champ lumineux par seconde. L'électronique conventionnelle ne peut pas s'interfacer directement avec ce signal, ainsi, pour ramener cette précision à une fréquence intelligible (seulement des milliards d'oscillations par seconde), les scientifiques utilisent des peignes de fréquence - des sources laser avec des "dents" de fréquence à intervalles parfaitement réguliers, une invention qui a remporté le prix Nobel de physique en 2005.
Être utile, ces peignes de fréquence doivent être calibrés - chaque dent du peigne doit être étiquetée avec une valeur de fréquence spécifique. La façon la plus simple et la plus courante de les calibrer est de prendre la dent la plus basse du peigne, fréquence double, et comparer à la dent la plus haute :cela donne la fréquence de la dent la plus basse. En plus d'une simple mesure de l'espacement entre les dents, les scientifiques peuvent l'utiliser pour déduire la fréquence exacte de chaque dent.
Récemment, plusieurs pièces des horloges atomiques sur puce, y compris de minuscules cellules à vapeur atomique et des peignes de fréquence sur puce, ont été obtenus en photonique à base de silicium. Cependant, l'étalonnage par doublement de fréquence se faisait auparavant avec des optiques encombrantes ou avec des matériaux moins compatibles avec le silicium. "Au moins conceptuellement, " dit Srinivasan, « nous sommes un pas de plus vers un peigne de fréquence calibré dans un boîtier vraiment compact. Il y a encore du travail à faire pour vraiment être en mesure de mettre ces choses ensemble, mais nous sommes plus proches d'une horloge atomique optique compacte qu'avant."
