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Sources multi longueurs d'ondes cohérentes exploitant des microrésonateurs en silicium pour les télécommunications optiques à 2µm – CoMuSim

CoMuSim - Sources multi-longueurs d’ondes cohérentes à base de résonateurs silicium pour les télécom- munications optiques à 2 µm.

Le projet CoMuSim s'inscrit dans le développement de nouvelles technologies pour les télécommunications optiques, et en particulier dans l'exploration d'une nouvelle bande de fréquences optiques centrées autour de l'émission des ions thulium. Ces ions peuvent émettre et amplifier un signal optique entre 1.7 et 2.1 µm, permettant théoriquement un multiplexage sans précédent. Notre projet a pour objectif de créer de nouvelles sources lasers hautes performance dans cette bande.

Lasers fibrés et nanophotonique non linéaire pour l'optique ultra-rapide

Pour être utile aux télécommunications optique, une source doit émettre plusieurs longueurs d'onde également espacées et cohérentes entre elles. Pour bénéficier de l'entièreté de la bande passante, un espacement de ces raies spectrales de quelques dizaines de gigahertz est souhaitable. La réalisation d'une source unique produisant ce jeu de raies spectrales est un challenge technologique, surtout à la longueur d'onde de 2 µm, pour lesquelles beaucoup d'équipements sont encore en développement. <br />Le premier objectif de CoMuSim est de participer au développement des outils de travail dans cette bande spectrale : lasers, fibres, détection, amplification, ... En particulier, nous travaillons sur l'étude des dynamiques impulsionnelles de lasers fibrés à blocage de mode, capables de générer des impulsions ultra-courtes, typiquement inférieures à la picoseconde. L'étude de l'apparition de ces impulsions, aussi appelées solitons dissipatifs, de leurs mouvements, de leurs interactions avec d'autres impulsions, de leur disparition permettra de mieux comprendre à la fois le fonctionnement de ces laser afin d'en améliorer les performances, mais également de répondre à des questions fondamentales sur les interactions d'attracteurs, sur l'évolution vers le chaos et l'apparition de phénomènes ultra-intenses. <br />Le deuxième objectif se focalise sur les dispositifs nanophotoniques non linéaires, avec comme idée de les utiliser comme simple composant dont la fonction de transfert permet de réaliser une opération particulière dans la cavité laser fibrée. Ici, un micro-résonateur non linéaire jouera le rôle d'absorbant saturable effectif permettant le blocage de mode et la formation de trains d'impulsions à très hauts taux de répétition. Le défi de cette tâche consiste à maîtriser les matériaux et la technologie de fabrication de ces nanocomposants pour arriver à leur faire jouer leur rôle initialement prévu.

La méthode envisagée pour réaliser le blocage de mode avec des taux de répétition très élevés utilise deux briques technologiques relativement matures : les lasers à fibres d'une part, et la nanophotonique non linéaire d'autre part.
Les lasers à fibres, de part leur très grand gain et leur grande flexibilité d'utilisation constituent une plateforme idéale pour tester de idées innovantes de fonctionnalités avancées. Les qualités spectrales de ces lasers sont également reconnues, avec une très bonne cohérence, permettant d'envisagée leur utilisation pour des télécommunications optiques cohérentes.
La nanophotonique non linéaire quant à elle permet des fonctionnalités très originales du fait de leur fort confinement de la lumière et de leur technique de fabrication. En effet, le fort confinement optique des matériaux envisagés (nitrure de silicium, silicium) allié à des indices non linéaires élevés permet d'obtenir des effets non linéaires importants à faibles puissances. D'autre part, la fabrication des échantillons par lithographie électronique permet de créer des structures originales, permettant d'envisager des circuiteries optiques complexes, réalisant des opérations qui seraient impossibles à faire en optique fibrée. Enfin, ces composants étant de très faible taille, les temps de parcours sont très petits et les fréquences associées peuvent donc être très grandes.
L'association de ces deux briques de bases permet d'envisager de créer des lasers dont l'opération de création des impulsions est entièrement gérée par le résonateur nanophotonique, alors que la fonction d'amplification est assurée par la cavité fibrée. La taille du microrésonateur étant de l'ordre de quelques centaines de microns, le train d'impulsions produit par celui-ci pourra atteindre des taux de répétition de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de GHz.

Les premiers résultats obtenus concerne le design et la fabrication de réseaux de couplage sur puce optique, permettant un couplage efficace entre fibre et composant nanophotonique. Des paramètres de réseaux de diffraction pour les deux matériaux considérés ont pu être déterminés numériquement et testés expérimentalement, avec des pertes mesurées inférieures à 3 dB. Le design et la mesure de la dispersion de guides nanophotonique a aussi abouti, nous permettant de dessiner les guides optiques nécessaires pour la cavité hybride finale. Toujours en terme de nanofabrication des résonateurs montrant des facteurs de qualité supérieurs à 10^6 ont été obtenus en nitrure de silicium. De tels facteurs de qualité couplés à un faible volume de mode permettent d'envisager des effets non linéaires importants dans le micro-résonateur.
Différentes architectures de lasers entièrement fibrés ont également été étudiés, dans un premier objectif de familiarisation avec la bande spectrale du thulium. Les résultats obtenus ont cependant atteint et dépassé l'état de l'art à ce sujet, en particulier avec la première démonstration de la technique de la transformée de Fourier dispersive à 2 µm. Cette technique consiste à faire passer les impulsions en sortie du laser dans un milieu très dispersif, de manière à étaler cette impulsion et ainsi obtenir son spectre dessiné dans le domaine temporel. L'observation du signal à l'oscilloscope permet ainsi d'obtenir le spectre de chaque impulsion séparément. Ce faisant, nous avons pu observer pour la première fois le mouvement de deux solitons liés par des interactions à courtes distances, typiquement quelques picosecondes. Des oscillations harmoniques et non-harmoniques de phase et d'éloignement ont été mises en évidence.

Les résultats obtenus permettent dès à présent de nous porter sur la réalisation de la cavité principale, intégrant à la fois une partie fibrée et un élément nanophotonique. Ces expériences seront réalisés dans les mois à venir, avec pour objectif non seulement d'obtenir des régimes de blocage de mode stables, mais également d'étudier les dynamiques plus complexes et moins stables. On cherchera en particulier à mettre à profit les techniques de détection en temps réelles mise en place jusqu'à maintenant pour la caractérisation des dynamiques complexes.

1. S. Hamdi, A. Coillet, P. Grelu, « Real-time characterization of optical soliton molecule dynamics in an ultrafast thulium fiber laser », Optics Letters 43, 20, pp 4965-4968 (2018)
2. S. Hamdi, A. Coillet, P. Grelu, « Real-time characterization of optical soliton molecule dynamics in an ultrafast thulium fiber laser », Europhoton, Barcelona (Spain) 2018
3. S. Hamdi, A. Coillet, P. Grelu, « Soliton dynamics in fiber lasers around 2 µm », Journée des écoles doctorales Carnot Pasteur, 2017

Les fibres optiques et technologies connexes ont permis une augmentation très rapide de la capacité de transmission des données au cours des 20 dernières années. Cette révolution a été rendue possible par trois éléments clés. Le premier est le développement de fibres optiques monomodes à bas coût et faibles pertes permettant la transmission de signaux à hautes fréquences sur de longues distances. L'amplificateur à fibres dopées erbium (EDFA) a permis l'utilisation de plusieurs canaux de transmission autour de 1.55 µm. Enfin, les technologies de détection cohérente ont largement amélioré l'efficacité par canal de transmission, grace à l'utilisation de format de modulations avancés tels que QPSK ou 16-QAM. Cette dernière avancée a été rendue possible par le développement récent de sources hautement cohérentes. Ces avancées ont permis d'augmenter la capacité de transmission proche de la limite de Shannon non-linéaire, ce qui signifie que de nouvelles solutions technologiques doivent être développées pour répondre à la croissance d'Internet.

La communauté des télécommunications optiques a proposé il y a quelques années d'utiliser la bande de longueurs d'ondes comprises entre 1.7 µm et 2.1 µm, correspondant à la bande d'amplification des ions thulium. Les fibres optiques à cœurs creux sont en cours de développement et leurs pertes de propagation à 2 µm sont sur le point d'atteindre des niveaux comparable à celles des fibres standard à 1.55 µm. En ce qui concerne les sources multi-longueurs d'ondes permettant le multiplexage et la détection cohérente, plusieurs approches ont été proposées: soit en utilisant un grand nombre de diodes lasers, soit en utilisant des lasers fibrées exploitant des techniques variées pour obtenir un espacement des modes laser de l'ordre de la dizaine de GHz. Dans le premier cas, il est difficile et coûteux de combiner et rendre cohérentes des dizaines de sources indépendantes, et dans le deuxième cas, les lasers à fibres à hauts taux de répétition ont tendance à souffrir d'instabilités diverses.

Ce projet a pour objectif de développer une source multi-longueurs d'onde autour de 2 µm qui exploite un résonateur sur puce dans un laser à fibre afin de stabiliser le blocage de mode à hauts taux de répétition. Le filtrage du résonateur et sa non-linéarité se combinent pour générer un train d'impulsions dont l'espacement est donnée par la taille du résonateur, typiquement 50 GHz pour un diamètre de 400 µm. Ce mécanisme est appelé mélange à 4 ondes filtrant (FD-FWM). Le gain sera apporté par un amplificateur à base de fibres dopées thulium, et la competition entre modes, source habituelle d'instabilité, sera fortement réduite par le filtrage dû au résonateur, comme le montrent des expériences pionnières à 1.55 µm.

La photonique silicium apparaît comme la plateforme la plus appropriée pour ce projet : elle a largement été développée dans les 10 dernières années, avec des technologies matures et peu coûteuses. Les pertes optiques sont faibles, et les facteurs de qualité obtenus permettent le mélange à 4 ondes filtrant. La forte non-linéarité du silicium comparé aux fibres de silice assure que la fonction de blocage de mode sera uniquement effectuée par le résonateur, la partie fibrée n'amenant que gain et rétroaction. L'absorption à deux photon qui est un problème à 1.55 µm devrait être négligeable à 2 µm, l'énergie des photons étant similaires à la moitié de celle du gap électronique.

L'objectif du projet CoMuSim est donc de développer une source laser fibrée stable produisant des trains d'impulsions avec un taux de répétition de 50 GHz, une puissance moyenne de l'ordre de la centaine de milliwatts, et une largeur d'impulsions plus petite que 1 ps. Dans le domaine spectral, cela correspond à plus de 20 canaux disponibles pour le multiplexage. Des stratégies de compression d'impulsions seront étudiées par la suite pour augmenter ce nombre.

Coordination du projet

Aurélien Coillet (Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LICB Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne

Aide de l'ANR 291 600 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 42 Mois

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