Des chercheurs de Stanford ont dévoilé un nouveau type de peigne de fréquence, un appareil de mesure de haute précision, innovant de petite taille, ultra économe en énergie et exceptionnellement précis. Avec un développement continu, cette percée « micropeigne » — qui est détaillée dans une étude publiée le 7 mars dans Nature -pourrait servir de base à l'adoption massive de ces appareils dans l'électronique quotidienne.
Les peignes de fréquence sont des lasers spécialisés qui génèrent des lignes de lumière uniformément espacées, semblables aux dents d'un peigne ou, plus justement, aux graduations d'une règle. En environ un quart de siècle de leur développement, ces « règles de la lumière » ont révolutionné de nombreux types de mesures de haute précision, de la chronométrage à la détection moléculaire via la spectroscopie. Cependant, comme les peignes de fréquence nécessitent un équipement encombrant, coûteux et gourmand en énergie, leur déploiement a été largement limité aux laboratoires.
Les chercheurs ont découvert une solution à ces problèmes en intégrant deux approches différentes pour miniaturiser les peignes de fréquence dans une plate-forme de type micropuce simple et facile à produire. Parmi les nombreuses applications que les chercheurs envisagent pour leur technologie polyvalente figurent de puissants appareils de diagnostic médical portables et des capteurs de surveillance des gaz à effet de serre largement répandus.
"La structure de notre peigne de fréquence rassemble les meilleurs éléments de la technologie émergente des micropeignes en un seul appareil", a déclaré Hubert Stokowski, chercheur postdoctoral au laboratoire d'Amir Safavi-Naeini et auteur principal de l'étude. "Nous pouvons potentiellement faire évoluer notre nouveau micropeigne de fréquence pour des appareils compacts, de faible consommation et peu coûteux qui peuvent être déployés presque n'importe où."
"Nous sommes très enthousiasmés par cette nouvelle technologie de micropeigne que nous avons démontrée pour de nouveaux types de capteurs de précision qui sont à la fois suffisamment petits et suffisamment efficaces pour être un jour dans le téléphone de quelqu'un", a déclaré Safavi-Naeini, professeur agrégé au Département de physique appliquée. à la School of Humanities and Sciences de Stanford et auteur principal de l'étude.
Ce nouvel appareil s'appelle un oscillateur paramétrique optique intégré à modulation de fréquence, ou FM-OPO.
Le nom complexe de l'outil indique qu'il combine deux stratégies pour créer la gamme de fréquences distinctes, ou couleurs de lumière, qui constituent un peigne de fréquences. Une stratégie, appelée oscillation paramétrique optique, consiste à faire rebondir des faisceaux de lumière laser dans un milieu cristallin, dans lequel la lumière générée s'organise en impulsions d'ondes cohérentes et stables.
La deuxième stratégie consiste à envoyer une lumière laser dans une cavité, puis à moduler la phase de la lumière (obtenue en appliquant des signaux radiofréquence à l'appareil) pour finalement produire des répétitions de fréquence qui agissent de la même manière comme des impulsions lumineuses.
Ces deux stratégies pour les micropeignes n’ont pas été largement utilisées car elles présentent toutes deux des inconvénients. Ces problèmes incluent l'inefficacité énergétique, la capacité limitée à ajuster les paramètres optiques et la « bande passante optique » sous-optimale du peigne, où les lignes en forme de peigne s'estompent à mesure que la distance par rapport au centre du peigne augmente.
Les chercheurs ont relevé le défi à nouveau grâce à leurs travaux sur une plate-forme de circuits optiques très prometteuse basée sur un matériau appelé niobate de lithium en couche mince. Le matériau présente des propriétés avantageuses par rapport au silicium, le matériau standard de l'industrie. Deux de ces propriétés utiles sont la « non-linéarité » (elle permet à des faisceaux lumineux de différentes couleurs d'interagir les uns avec les autres pour générer de nouvelles couleurs ou longueurs d'onde) et une large gamme de longueurs d'onde lumineuses peut la traverser.
Les chercheurs ont façonné les composants au cœur du nouveau peigne de fréquence en utilisant la photonique intégrée au niobate de lithium. Ces technologies de manipulation de la lumière s'appuient sur les progrès réalisés dans le domaine connexe et plus établi de la photonique sur silicium, qui implique la fabrication de circuits intégrés optiques et électroniques sur des micropuces en silicium. De cette manière, le niobate de lithium et la photonique sur silicium ont tous deux développé les semi-conducteurs des puces informatiques conventionnelles, dont les racines remontent aux années 1950.
"Le niobate de lithium possède certaines propriétés que le silicium n'a pas, et nous n'aurions pas pu fabriquer notre dispositif à micropeigne sans lui", a déclaré Safavi-Naeini.
Ensuite, les chercheurs ont rassemblé des éléments de stratégies d’amplification paramétrique optique et de modulation de phase. L'équipe s'attendait à certaines caractéristiques de performance du nouveau système de peigne de fréquence sur les puces au niobate de lithium, mais ce qu'elles ont vu s'est avéré bien meilleur que prévu.
Dans l’ensemble, le peigne a produit une sortie continue plutôt que des impulsions lumineuses, ce qui a permis aux chercheurs de réduire la puissance d’entrée requise d’environ un ordre de grandeur. L'appareil a également produit un peigne « plat », ce qui signifie que les lignes de peigne plus éloignées en longueur d'onde du centre du spectre ne s'estompent pas en intensité, offrant ainsi une plus grande précision et une plus grande utilité dans les applications de mesure.
"Nous avons été vraiment surpris par ce peigne", a déclaré Safavi-Naeini. "Même si nous avions l'intuition que nous obtiendrions des comportements semblables à ceux d'un peigne, nous n'essayions pas vraiment de fabriquer exactement ce type de peigne, et il nous a fallu quelques mois pour développer les simulations et la théorie expliquant ses principales propriétés." /P>
Pour en savoir plus sur leur appareil surperformant, les chercheurs se sont tournés vers Martin Fejer, professeur de physique J. G. Jackson et C. J. Wood et professeur de physique appliquée à Stanford. Avec d'autres pairs de Stanford, Fejer a contribué à faire progresser les technologies photoniques modernes en couches minces au niobate de lithium et à comprendre les propriétés cristallines de ce matériau.
Fejer, qui est également co-auteur de l'étude, a établi un lien clé entre les principes physiques sous-jacents au micropeigne et les idées discutées dans la littérature scientifique des années 1970, en particulier les concepts lancés par Stephen Harris, professeur émérite de physique appliquée et de génie électrique à Stanford.
Les nouveaux micropeignes, encore perfectionnés, devraient être facilement fabriqués dans les fonderies de micropuces conventionnelles avec de nombreuses applications pratiques telles que la détection, la spectroscopie, les diagnostics médicaux, les communications par fibre optique et les dispositifs portables de surveillance de la santé.
"Notre puce microcomb pourrait être intégrée à n'importe quoi, la taille de l'appareil global dépendant de la taille de la batterie", a déclaré Stokowski. "La technologie que nous avons démontrée pourrait être intégrée à un appareil personnel de faible consommation, de la taille d'un téléphone ou même plus petit, et servir à toutes sortes d'usages utiles."
Plus d'informations : Amir Safavi-Naeini, Oscillateur paramétrique optique modulé en fréquence intégré, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-024-07071-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07071-2
Informations sur le journal : Nature
Fourni par l'Université de Stanford
