Sur la pochette de l'album de Pink Floyd Dark Side of the Moon, un prisme divise un rayon de lumière en toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Ce medley multicolore, qui doit son émergence au fait que la lumière voyage comme une onde, se cache presque toujours à la vue de tous ; un prisme révèle simplement qu'il était là. Par exemple, la lumière du soleil est un mélange de plusieurs couleurs de lumière différentes, chacun monte et descend avec sa propre fréquence caractéristique. Mais prises ensemble, les couleurs se fondent dans une lueur jaunâtre uniforme.

Un prisme, ou quelque chose comme ça, peut également annuler ce fractionnement, mélanger un arc-en-ciel en un seul faisceau. À la fin des années 1970, les scientifiques ont découvert comment générer de nombreuses couleurs de lumière, régulièrement espacés en fréquence, et les mélanger ensemble - une création qui est devenue connue sous le nom de peigne de fréquence en raison de la façon dont les fréquences s'alignent comme les dents d'un peigne. Ils ont également chevauché les crêtes des différentes fréquences en un seul endroit, faire en sorte que les couleurs se réunissent pour former de courtes impulsions de lumière plutôt qu'un faisceau continu.

Au fur et à mesure que la technologie des peignes de fréquence se développait, les scientifiques ont réalisé qu'ils pouvaient permettre de nouveaux développements en laboratoire, telles que les horloges atomiques optiques ultra-précises, et en 2005, les peignes de fréquence avaient valu à deux scientifiques une part du prix Nobel de physique. Ces jours, les peignes de fréquence trouvent des utilisations dans la technologie moderne, en aidant les voitures autonomes à « voir » et en permettant aux fibres optiques de transmettre plusieurs canaux d'informations à la fois, entre autres.

Maintenant, une collaboration de chercheurs de l'Université du Maryland (UMD) a proposé un moyen de rendre les peignes de fréquence de la taille d'une puce dix fois plus efficaces en exploitant la puissance de la topologie, un domaine des mathématiques abstraites qui sous-tend certains des comportements les plus particuliers des matériaux modernes . L'équipe, dirigé par les boursiers JQI Mohammad Hafezi et Kartik Srinivasan, ainsi que Yanne Chembo, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'UMD et membre de l'Institut de recherche en électronique et physique appliquée, ont récemment publié leur résultat dans la revue Physique de la nature .

« La topologie est devenue un nouveau principe de conception en optique au cours de la dernière décennie, " dit Hafezi, « et cela a conduit à de nombreux nouveaux phénomènes intrigants, certains sans contrepartie électronique. Ce serait fascinant si l'on trouvait aussi une application de ces idées."

Les petites puces capables de générer un peigne de fréquence existent depuis près de quinze ans. Ils sont produits à l'aide de résonateurs à micro-anneaux, des cercles de matériau qui reposent sur une puce et guident la lumière en boucle. Ces cercles sont généralement constitués d'un composé de silicium de 10 à 100 microns de diamètre et imprimés directement sur un circuit imprimé.

La lumière peut être envoyée dans le micro-anneau à partir d'un morceau adjacent de composé de silicium, déposé en ligne droite à proximité. Si la fréquence de la lumière correspond à l'une des fréquences naturelles du résonateur, la lumière tournera et tournera des milliers de fois - ou résonnera - en augmentant l'intensité lumineuse dans l'anneau avant de refluer dans la trace en ligne droite.

Tourner autour des milliers de fois donne à la lumière de nombreuses chances d'interagir avec le silicium (ou un autre composé) à travers lequel elle voyage. Cette interaction fait apparaître d'autres couleurs de lumière, distincte de la couleur envoyée dans le résonateur. Certaines de ces couleurs résonneront également, faire le tour du cercle et accumuler de la puissance. Ces couleurs de résonance sont à des fréquences régulièrement espacées - elles correspondent à des longueurs d'onde de lumière qui sont une fraction entière de la circonférence de l'anneau, se pliant soigneusement dans le cercle et forçant les fréquences à former les dents d'un peigne. À la bonne puissance d'entrée et à la bonne couleur, les crêtes de toutes les couleurs se chevauchent automatiquement, faire un peigne stable. Les couleurs régulièrement espacées qui composent le peigne se réunissent pour former un seul, étroite impulsion de lumière circulant autour de l'anneau.

"Si vous réglez la puissance et la fréquence de la lumière entrant dans le résonateur pour qu'elles soient justes, comme par magie à la sortie vous obtenez ces impulsions de lumière, " dit Sunil Mittal, chercheur postdoctoral à JQI et auteur principal de l'article.

Les peignes de fréquence sur puce permettent des applications compactes. Par exemple, La détection et la mesure de la lumière (LIDAR) permettent aux voitures autonomes de détecter ce qui les entoure en faisant rebondir de courtes impulsions lumineuses produites par un peigne de fréquence sur son environnement. Quand le pouls revient à la voiture, il est comparé à un autre peigne de fréquence pour obtenir une carte précise des environs. Dans les télécommunications, Les peignes peuvent être utilisés pour transmettre plus d'informations dans une fibre optique en écrivant différentes données sur chacune des dents du peigne à l'aide d'une technique appelée multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM).

Mais les peignes de fréquence à l'échelle de la puce ont aussi leurs limites. Dans un micro-anneau, la fraction de puissance qui peut être convertie de l'entrée en peigne à la sortie - l'efficacité du mode - est fondamentalement limitée à seulement 5 %.

Mittal, Hafezi, et leurs collaborateurs ont déjà mis au point un réseau de micro-anneaux avec protection topologique intégrée, et l'a utilisé pour fournir des photons uniques à la demande et générer des photons intriqués sur mesure. Ils se sont demandé si une configuration similaire – un réseau carré de résonateurs à micro-anneaux avec des anneaux « liens » supplémentaires – pourrait également être adaptée pour améliorer la technologie des peignes de fréquence.

Dans ce cadre, les micro-anneaux le long du bord extérieur du réseau deviennent distincts de tous les anneaux du milieu. La lumière envoyée dans le réseau passe la majeure partie de son temps le long de ce bord extérieur et, en raison de la nature des contraintes topologiques, il ne se disperse pas au centre. Les chercheurs appellent ce cercle extérieur de micro-anneaux un super-anneau.

L'équipe espérait trouver des conditions magiques qui formeraient un peigne de fréquence dans les impulsions circulant autour du super-anneau. Mais c'est délicat :chacun des anneaux du réseau peut avoir sa propre impulsion de lumière qui tourne en rond. Pour obtenir une grande impulsion de lumière autour du super-anneau, les impulsions au sein de chaque micro-anneau devraient fonctionner ensemble, synchronisation pour former une impulsion globale faisant le tour de toute la frontière.

Mittal et ses collaborateurs ne savaient pas à quelle fréquence ou à quelle puissance cela se produirait, ou si cela fonctionnerait du tout. Comprendre, Mittal a écrit un code informatique pour simuler la façon dont la lumière traverserait le réseau d'anneaux de 12 par 12. A la surprise de l'équipe, non seulement ils ont trouvé des paramètres qui ont fait que les impulsions de micro-anneau se synchronisent en une impulsion de super-anneau, mais ils ont également constaté que l'efficacité était un facteur dix plus élevée que possible pour un seul peigne à anneau.

Cette amélioration doit tout à la coopération entre micro-anneaux. La simulation a montré que les dents du peigne étaient espacées en fonction de la taille des micro-anneaux individuels, ou des longueurs d'onde qui se replient parfaitement autour du petit cercle. Mais si vous zoomez sur l'une des dents individuelles, vous verriez qu'ils étaient vraiment subdivisés en plus petits, sous-dents plus finement espacées, correspondant à la taille du super-anneau. Tout simplement, la lumière entrante a été couplée avec quelques pour cent d'efficacité dans chacune de ces sous-dents supplémentaires, permettant à l'efficacité globale de dépasser 50 pour cent.

L'équipe travaille sur une démonstration expérimentale de ce peigne de fréquence topologique. À l'aide de simulations, ils ont pu distinguer le nitrure de silicium comme matériau prometteur pour les micro-anneaux, ainsi que de déterminer quelle fréquence et quelle puissance de lumière envoyer. Ils pensent que la construction de leur peigne de fréquence super efficace devrait être à la portée des techniques expérimentales de pointe actuelles.

Si un tel peigne est construit, il peut devenir important pour le développement futur de plusieurs technologies clés. L'efficacité plus élevée pourrait profiter à des applications telles que le LIDAR dans les voitures autonomes ou les horloges optiques compactes. En outre, la présence de sous-dents finement espacées autour de chaque dent individuelle pourrait, par exemple, aident également à ajouter plus de canaux d'informations dans un émetteur WDM.

Et l'équipe espère que ce n'est que le début. "Il pourrait y avoir beaucoup d'applications que nous ne connaissons même pas encore, " dit Mittal. " Nous espérons qu'il y aura beaucoup plus d'applications et que plus de gens seront intéressés par cette approche. "