Générer des micro-ondes de qualité à l’aide de peignes de fréquences

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Crédit: T. J. Kippenberg (EPFL)

Crédit: T. J. Kippenberg (EPFL)

Les peignes de fréquences optiques peuvent associer des fréquences qui appartiennent au domaine des micro-ondes à des émissions laser de pureté élevée, produisant une précision sans précédent en matière de mesure du temps et de métrologie. Aujourd’hui, des scientifiques de l’EPFL et leurs collègues ont généré des signaux micro-ondes à faible bruit variables en créant des engrenages micro-ondes variables avec deux peignes de fréquences optiques compacts.

Les signaux micro-ondes à faible bruit revêtent une importance capitale dans de nombreuses applications telles que les télécommunications à haut débit et le traitement des données ultrarapide. Ces signaux sont habituellement générés par des oscillateurs à micro-ondes encombrants et sensibles, inadaptés à des applications en extérieur. Mais depuis peu, des physiciens explorent une alternative : la génération de micro-ondes de grande qualité à l’aide de peignes de fréquences basés sur microrésonateur optique.

S’appuyant sur la fréquence optique élevée et la pureté spectrale des champs laser, les microrésonateurs optiques peuvent générer des micro-ondes à faible bruit de manière compacte et efficace. Cependant, un microrésonateur ne peut généralement générer que des micro-ondes avec un réglage de fréquence très limité. La raison est la suivante : la fréquence micro-ondes dépend de la taille du résonateur, qui lui-même n’est pas très réglable.

Publiant dans la revue scientifique Science Advances, des chercheurs du laboratoire de Tobias Kippenberg à l’EPFL, du Trinity College Dublin (TCD) et de la Dublin City University (DCU) ont développé une nouvelle technique pour générer des micro-ondes à faible bruit variables avec un microrésonateur optique.

Dans cette approche, un peigne de fréquences basé sur microrésonateur est injecté dans un laser compact dont l’intensité est modulée par un oscillateur à micro-ondes ordinaire. En forçant la fréquence de modulation à suivre strictement une fréquence sous-harmonique de la micro-onde produite par le peigne de fréquences basé sur microrésonateur, l’équipe est parvenue à générer de nouvelles micro-ondes dont les fréquences peuvent être réglées.

De plus, les nouvelles micro-ondes générées présentent des niveaux de bruit de phase nettement inférieurs à ceux d’un oscillateur à peigne de fréquences basé sur microrésonateur et des oscillateurs à micro-ondes du commerce. Cette méthode, appelée répartition fréquentielle, sert à transférer la pureté de fréquence d’un signal optique dans le domaine des micro-ondes.

Injecté par un peigne de fréquences basé sur microrésonateur, un laser semi-conducteur modulé à haute vitesse peut simultanément générer des micro-ondes à faible bruit et des peignes de fréquences avec des écarts de fréquence variables.

La technique développée permet le transfert de pureté spectrale entre différents signaux micro-ondes. «Habituellement, l’exécution d’une parfaite répartition en fréquence micro-ondes d’une manière variable n’est pas simple», explique le Dr Wenle Weng, qui a dirigé l’étude. «Grâce au laser semi-conducteur à modulation rapide développé par nos collègues du TCD et de la DCU, nous pouvons désormais y parvenir avec un photodétecteur bon marché et un système de contrôle modéré.» Le laser semiconducteur génère également un peigne de fréquences secondaire avec des émissions spectrales plus densifiées qui peuvent être utiles dans de nombreuses applications spectroscopiques.

Les principaux composants dans la préparation de l’expérience de démonstration de faisabilité, dont le microrésonateur et le laser semiconducteur, sont discrets et connectés avec des fibres longues. L’équipe travaille aujourd’hui sur l’intégration et un emballage de pointe du dispositif. Pouvant être miniaturisés et fabriqués en série, un oscillateur à micro-ondes variables et un générateur de peigne de fréquences comme ceux-ci peuvent révolutionner le marché en pleine croissance des sources portables de peigne de fréquences et micro-ondes à faible bruit.

Le laboratoire de Tobias Kippernberg fait partie de l’ Institut de physique de l’EPFL , au coeur de la Faculté des sciences de base .

Wenle Weng, Nik Papageorgiou