Des impulsions lumineuses périodiques formant un peigne dans le domaine fréquentiel sont largement utilisées pour la détection et la télémétrie. La clé de la miniaturisation de cette technologie vers des solutions intégrées à la puce est la génération de solitons dissipatifs dans des microrésonateurs en forme d'anneau. Les solitons dissipatifs sont des impulsions stables circulant autour de la circonférence d'un résonateur non linéaire.

Depuis leur première manifestation, le processus de formation de solitons dissipatifs a été largement étudié et est aujourd'hui considéré comme un savoir de manuel. Plusieurs directions de développement ultérieur sont activement étudiées par différents groupes de recherche dans le monde. L'une de ces directions est la génération de solitons dans des résonateurs couplés. L'effet collectif de nombreux résonateurs promet de meilleures performances et un meilleur contrôle sur les peignes de fréquence, exploiter une autre dimension (spatiale).

Mais en quoi le couplage de résonateurs supplémentaires modifie-t-il le processus de génération de solitons ? Des oscillateurs identiques de toute nature s'affectant les uns les autres ne peuvent plus être considérés comme un ensemble d'éléments distincts. En raison du phénomène d'hybridation, l'excitation d'un tel système influence tous ses éléments, et le système doit être traité dans son ensemble. Le cas le plus simple où l'hybridation a lieu est celui de deux oscillateurs couplés ou, en terminologie moléculaire, un dimère. Ainsi que des pendules couplés et des atomes formant une molécule, les modes de microrésonateurs optiques couplés subissent une hybridation mais, contrairement à d'autres systèmes, le nombre de modes impliqués est grand (typiquement de dizaines à centaines). Par conséquent, les solitons dans un dimère photonique sont générés dans des modes hybrides impliquant les deux résonateurs, ce qui ajoute un autre degré de contrôle si l'on a accès aux paramètres d'hybridation.

Dans un article publié en Physique de la nature , des chercheurs du laboratoire de Tobias J. Kippenberg à l'EPFL, et IBM Research Europe dirigé par Paul Seidler ont démontré la génération de solitons dissipatifs et, donc, peignes de fréquence cohérente dans une molécule photonique constituée de deux microrésonateurs. La génération d'un soliton dans le dimère implique deux solitons contra-propagatifs dans les deux anneaux de résonateur. Le champ électrique sous-jacent derrière chaque mode du dimère ressemble à deux engrenages tournant dans des directions opposées, c'est pourquoi les solitons dans le dimère photonique sont appelés Gear Solitons. Impression des éléments chauffants sur les deux résonateurs, et ainsi contrôler l'hybridation, les auteurs ont démontré le réglage en temps réel du peigne de fréquence à base de solitons.

Même le simple arrangement de dimères, en plus de la génération de solitons hybridés (engrenage), a mis en évidence une variété de phénomènes émergents, c'est-à-dire des phénomènes non présents au niveau d'une particule unique (résonateur). Par exemple, les chercheurs ont prédit l'effet du saut de solitons :échange d'énergie périodique entre les résonateurs formant le dimère tout en maintenant l'état solitonique. Ce phénomène est le résultat de la génération simultanée de solitons dans les deux familles de modes hybrides dont l'interaction conduit à une oscillation d'énergie. Soliton sautillant, par exemple, peut être utilisé pour la génération de peignes configurables dans le domaine des radiofréquences.

"La physique de la génération de solitons dans un seul résonateur est relativement bien comprise aujourd'hui, " dit Alexey Tikan, chercheur au Laboratoire de Photonique et Mesures Quantiques, EPFL. "Le domaine explore d'autres directions de développement et d'amélioration. Les résonateurs couplés sont l'une des rares perspectives de ce type. Cette approche permettra l'utilisation de concepts de domaines adjacents de la physique. Par exemple, on peut former un isolant topologique (connu en physique du solide) en couplant des résonateurs dans un réseau, ce qui conduira à la génération de peignes de fréquence robustes immunisés contre les défauts du réseau, tout en profitant de l'efficacité accrue et des degrés de contrôle supplémentaires. Notre travail fait un pas vers ces idées fascinantes."