Un scientifique développe un quantum à large bande

27 juillet 2023

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par l'Académie chinoise des sciences

Depuis la conception du peigne de fréquence laser à la fin des années 1990, il a révolutionné la mesure précise de la fréquence et du temps. Au-delà de leur utilisation initiale dans les horloges optiques et la spectroscopie de précision, les peignes de fréquence optique (OFC) ont montré un fort potentiel pour diverses applications, notamment la spectroscopie ultraviolette et infrarouge (IR), la télédétection, la synthèse de fréquence optique et les communications optiques à haut débit.

Cependant, les fortes impulsions optiques délivrées par un OFC modulé en amplitude (AM) ne sont pas favorables aux systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde dense (DWDM) dans lesquels de nombreux modulateurs microring sont déployés. En effet, la puissance instantanée élevée des impulsions optiques entraînerait de fortes non-linéarités thermiques.

D'autre part, la formation d'un OFC à large bande repose sur une ingénierie minutieuse de la dispersion de vitesse de groupe (GVD) du guide d'ondes, ce qui constitue un défi pour les plates-formes où la GVD est principalement déterminée par le matériau. Par conséquent, la taille du système, le poids, la consommation d’énergie et le coût (SWaP-C) des OFC doivent être améliorés pour l’utilisation des OFC dans l’industrie.

Dans un nouvel article publié dans Light: Science & Applications, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur John Bowers de l'Institute for Energy Efficiency de l'Université de Californie à Santa Barbara, aux États-Unis, a développé un peigne à modulation de fréquence (FM) basé sur laser avancé à points quantiques (QD). Une conception appropriée de la cavité laser permet une bande passante optique record de 3 dB de 2,2 THz dans la bande O des télécommunications.

L'espacement des canaux peut atteindre 60 GHz, ce qui permet d'éliminer la diaphonie des canaux lors de la transmission de données. Plus intéressant encore, ce peigne FM à ondes quasi continues ne délivre pas d'impulsions optiques fortes, ce qui est favorable à un système DWDM intégré.

En tirant parti du laser QD, le peigne FM à large bande est généré à partir d'une cavité laser de 1,35 mm de long et 2,6 um de large, ainsi qu'un rendement de prise murale élevé de plus de 12 %. Comparé à d'autres technologies OFC intégrées, le peigne FM basé sur le laser QD présente un SWaP-C supérieur, une solution recherchée à la fois par le monde universitaire et l'industrie.

Les propriétés matérielles remarquables du QD en font une plateforme prometteuse pour la génération de peignes FM. La dynamique de gain ultrarapide permet une non-linéarité géante de Kerr et un mélange à quatre ondes, ce qui fait du laser QD un meilleur candidat pour la génération de peignes FM dans la bande de communication optique que les lasers à diode à puits quantiques conventionnels.

Il est important de noter que cette approche rapportée nous permet d’améliorer la bande passante optique sans avoir besoin d’une ingénierie minutieuse de la dispersion du guide d’onde. Cette réalisation est réalisée grâce à l'ingénierie de la non-linéarité de Kerr, qui peut être simplement contrôlée par une tension appliquée à la section absorbante saturable du laser. En tant que telle, cette approche réduit les défis du processus de fabrication. Ces scientifiques commentent leurs réalisations dans ce travail :

"Il s'agit d'une évolution de la pensée. Le premier laser à mode verrouillé a été démontré en 1963, d'énormes progrès ont été réalisés depuis. On pensait autrefois qu'un laser à mode verrouillé devait délivrer de fortes impulsions optiques en raison de son AM (amplitude- modulation de fréquence). Cependant, nous démontrons que ce n'est pas obligatoire. Le laser à mode verrouillé FM (modulé en fréquence) connaît une renaissance. Il est par nature de fournir un spectre à large bande et à sommet plat ainsi qu'un quasi- émission à onde continue.