Le guide d’ondes en arête de poisson en silicium étend le peigne de fréquence

Les peignes de fréquences sont en train de devenir l’une des grandes technologies habilitantes du 21e siècle. Les horloges atomiques de haute précision et la spectroscopie de haute précision ne sont que deux technologies qui ont bénéficié du développement de peignes de fréquences très précis. Cependant, les sources d’origine en peigne de fréquences nécessitaient une salle pleine d’équipement. Et il s’avère que si vous suggérez qu’une salle remplie d’équipements délicats est parfaite pour une application commerciale, l’ingénieur de développement se dirige vers la sortie la plus proche.

Ces inconvénients seraient résolus en fabriquant des dispositifs à puce suffisamment robustes pour résister aux rigueurs d’une utilisation quotidienne. Pour ce faire, les scientifiques doivent équilibrer les propriétés des matériaux avec le comportement de la lumière dans un guide d’ondes. Cet équilibre est plus facile à concevoir dans le verre, alors que pour les applications et l’intégration avec des appareils existants, il serait préférable d’utiliser du silicium.

Il est difficile de fabriquer des peignes de fréquences très larges à partir de guides d’ondes en silicium, mais l’ingénierie intelligente des guides d’ondes est peut-être sur le point de rendre cette tâche un peu plus facile. Zhang et ses collègues, rapportant dans Photonique avancée, ont montré un moyen de créer un guide d’ondes à indice gradué qui permet à la largeur d’un peigne de fréquences d’être plus que doublée (par rapport à un guide d’ondes normal).

Alignement de pointe pour un peigne plus large?

Un peigne de fréquences est un spectre lumineux composé de nombreuses fréquences très nettement définies qui sont également espacées. Un spectre de puissance ressemble plutôt à un peigne, d’où son nom.

La génération du peigne de fréquence est un équilibre délicat entre les propriétés du matériau qui permettent à la lumière de générer de nouvelles couleurs de lumière (appelée non-linéarité optique), la configuration du chemin que la lumière suit (le résonateur optique) et la dispersion (comment la vitesse de la lumière varie avec la longueur d’onde du matériau). Le dernier élément, la dispersion, est généralement le tueur, et c’est là que se concentre le travail de Zhang et de ses collègues. Pour générer un peigne de fréquence très large, les couleurs qui composent le peigne doivent toutes rester en phase les unes avec les autres. Concrètement: si deux vagues en un point ont leurs pics alignés, alors à un moment donné plus loin dans l’espace et le temps, ces pics devraient toujours s’aligner. Mais, d’ordinaire, cela ne se produit jamais et les pics se glissent les uns sur les autres, empêchant toute nouvelle fréquence d’être générée.

L’ingénierie à la rescousse

Pour compenser la dispersion du matériau, les chercheurs se tournent souvent vers l’ingénierie des guides d’ondes. Les guides d’ondes étant constitués de matériaux, ils présentent une dispersion et le confinement du guide d’ondes lui-même introduit un autre type de dispersion. Cette dispersion dépend de la forme du guide d’ondes, des dimensions, ainsi que des matériaux utilisés. Cela permet aux ingénieurs de contrer la dispersion des matériaux grâce à la conception de leur guide d’ondes.

Mais, c’est un travail difficile dans le silicium. Le noyau en silicium a un indice de réfraction élevé par rapport à la gaine en verre. La grande différence entre les deux crée une forte dispersion qui surcompense la dispersion du matériau.

La perspicacité de Zhang et de ses collègues est que l’interface entre le revêtement en verre et le noyau en silicium n’a pas besoin d’être nette. Ils ont conçu un guide d’ondes qui a un noyau en silicium avec une structure en arête de poisson qui s’étend vers l’extérieur dans le revêtement en verre. L’indice de réfraction efficace dans la région mixte est la moyenne du verre et du silicium, qui passe progressivement du silicium au verre: un guide d’ondes à gradient d’indice.

Dans l’index gradué, les couleurs rouges s’étalent pour occuper une zone plus large du guide d’ondes, tandis que les couleurs plus bleues sont plus étroitement confinées. L’effet net est que les différentes longueurs d’onde se comportent comme si elles se déplaçaient dans des guides d’ondes de largeurs différentes, alors qu’elles voyagent en fait ensemble dans le même guide d’ondes. Les chercheurs appellent cet effet une frontière auto-adaptative. Ils ont exploré différentes configurations de la structure en arête de poisson. Chaque configuration augmentait la gamme de longueurs d’onde sur laquelle la dispersion était faible.

Pour confirmer que leurs guides d’ondes à indice gradué donneraient de meilleurs peignes de fréquences, l’équipe a modélisé la génération de peignes de fréquences dans des guides d’ondes à indice standard et gradué. Ils ont montré que le spectre de fréquences était étendu d’environ 20 THz à environ 44 THz.

Allume la lumière

Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont calculé et modélisé que leurs structures. Cependant, les structures proposées ont toutes été choisies dans un souci de fabrication, donc une fois qu’ils ont obtenu leurs combinaisons de lapin, les appareils de test devraient être en route. Ensuite, les peignes de fréquences en silicium peuvent vraiment se pavaner. Un bon exemple: le silicium est transparent sur une large plage de l’infrarouge, qui est également la plage de longueurs d’onde nécessaire à l’identification spectroscopique des molécules. Un peigne de fréquence à puce permettra des spectromètres compacts de haute précision et haute sensibilité.