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Dans le dispositif supérieur, deux résonateurs couplés forment une structure en forme de huit. La lumière d’entrée voyage du guide d’ondes à travers les résonateurs, entrant sous une couleur et émergeant sous une autre. Le dispositif inférieur utilise trois résonateurs couplés : un petit résonateur annulaire, un long résonateur ovale appelé résonateur de piste de course et un résonateur de forme rectangulaire. Au fur et à mesure que la lumière se déplace autour du résonateur de l’hippodrome, elle tombe en cascade dans des fréquences de plus en plus élevées, entraînant un décalage pouvant atteindre 120 gigahertz. Crédit : Second Bay Studios/Harvard SEAS
Les décaleurs de fréquence sur puce dans la gamme des gigahertz pourraient être utilisés dans les ordinateurs et réseaux quantiques de la prochaine génération.
La capacité de contrôler et de modifier avec précision les propriétés d’un photon, y compris la polarisation, la position dans l’espace et l’heure d’arrivée, a donné naissance à un large éventail de technologies de communication que nous utilisons aujourd’hui, y compris Internet. La prochaine génération de technologies photoniques, telles que les réseaux quantiques photoniques et les ordinateurs, nécessitera encore plus de contrôle sur les propriétés d’un photon.
L’une des propriétés les plus difficiles à changer est la couleur d’un photon, autrement appelée sa fréquence, car changer la fréquence d’un photon signifie changer son énergie.
Aujourd’hui, la plupart des décaleurs de fréquence sont soit trop inefficaces, perdant beaucoup de lumière dans le processus de conversion, soit ils ne peuvent pas convertir la lumière dans la gamme des gigahertz, où se trouvent les fréquences les plus importantes pour les communications, l’informatique et d’autres applications.
Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé des décaleurs de fréquence sur puce hautement efficaces qui peuvent convertir la lumière dans la gamme de fréquences gigahertz. Les décaleurs de fréquence sont facilement contrôlés, en utilisant des micro-ondes continues et à un seul ton.
La recherche est publiée dans La nature.
« Nos décaleurs de fréquence pourraient devenir un élément fondamental des systèmes de communication classiques à grande vitesse et à grande échelle ainsi que des ordinateurs quantiques photoniques émergents », a déclaré Marko Lončar, professeur de génie électrique Tiantsai Lin et auteur principal de l’article.
L’article décrit deux types de décaleurs de fréquence sur puce – un qui peut convertir une couleur en une autre, en utilisant un décalage de quelques dizaines de gigahertz, et un autre qui peut cascader plusieurs décalages, un décalage de plus de 100 gigahertz.
Chaque appareil est construit sur la plate-forme de niobate de lithium mise au point par Lončar et son laboratoire.
Le niobate de lithium peut convertir efficacement les signaux électroniques en signal optique, mais a longtemps été considéré par beaucoup dans le domaine comme difficile à utiliser à petite échelle. Dans des recherches antérieures, Lončar et son équipe ont démontré une technique pour fabriquer des microstructures de niobate de lithium hautes performances en utilisant des plasma gravure pour sculpter physiquement des microrésonateurs dans des films minces de niobate de lithium.
Ici, en utilisant la même technique, Lončar et son équipe ont gravé des résonateurs en anneau couplés et des guides d’ondes sur du niobate de lithium en couche mince. Dans le premier dispositif, deux résonateurs couplés forment une structure en forme de huit. La lumière d’entrée voyage du guide d’ondes à travers les résonateurs selon un motif en huit, entrant sous une couleur et émergeant sous une autre. Cet appareil fournit des décalages de fréquence aussi élevés que 28 gigahertz avec une efficacité d’environ 90 %. Il peut également être reconfiguré en tant que séparateurs de faisceaux dans le domaine fréquentiel accordables, où un faisceau d’une fréquence est divisé en deux faisceaux d’une autre fréquence.
Le deuxième appareil utilise trois résonateurs couplés : un petit résonateur annulaire, un long résonateur ovale appelé résonateur de piste de course et un résonateur de forme rectangulaire. Au fur et à mesure que la lumière se déplace autour du résonateur de l’hippodrome, elle tombe en cascade dans des fréquences de plus en plus élevées, entraînant un décalage pouvant atteindre 120 gigahertz.
“Nous sommes capables d’atteindre cette amplitude de décalage de fréquence en utilisant un seul signal micro-ondes de 30 gigahertz”, a déclaré Yaowen Hu, assistant de recherche à SEAS et premier auteur de l’article. « Il s’agit d’un tout nouveau type d’appareil photonique. Les tentatives précédentes pour décaler les fréquences de quantités supérieures à 100 gigahertz ont été très difficiles et coûteuses, nécessitant un signal micro-ondes tout aussi important. »
« Ce travail est rendu possible par tous nos développements antérieurs en photonique intégrée au niobate de lithium », a déclaré Lončar. « La capacité de traiter les informations dans le domaine fréquentiel de manière efficace, compacte et évolutive a le potentiel de réduire considérablement les dépenses et les ressources nécessaires pour les circuits photoniques à grande échelle, y compris l’informatique quantique, télécommunications, radar, traitement du signal optique et spectroscopie.
Référence : « On-chip electro-optic Frequency Shifters and beam splitters » par Yaowen Hu, Mengjie Yu, Di Zhu, Neil Sinclair, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Jeffrey Holzgrafe, Eric Puma, Mian Zhang et Marko Lončar, 24 novembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038/s41586-021-03999-x
Le bureau du développement technologique de Harvard a protégé la propriété intellectuelle associée à ce projet et recherche des opportunités de commercialisation.
La recherche est co-écrite par Mengjie Yu, Di Zhu, Neil Sinclair, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Jeffrey Holzgrafe, Eric Puma et Mian Zhang. Il a été soutenu en partie par l’US Office of Naval Research sous la subvention QOMAND N00014-15-1-2761, l’Air Force Office of Scientific Research sous les subventions FA9550‐19‐1‐0310 et FA9550-20-1-0105, le National Science Foundation, sous les subventions ECCS-1839197, ECCS-1541959, PFI-TT IIP-1827720, Army Research Office sous les subventions W911NF2010248 et Department of Energy sous les subventions HEADS-QON DE-SC0020376.
