Peignes de Fréquences dans des Micro-Résonateurs Exploitant les Non-Linéarités Optiques Quadratique et Cubique – QuadCOMB

QuadCOMB a pour but d'explorer de nouveaux concepts de sources intégrées de peignes de fréquences à base de micro-résonateurs combinant des non-linéarités optiques du deuxième ordre (quadratique) et du troisième ordre (cubique). Au cours des dernières années, les peignes de fréquences à base d’un effet Kerr optique (non-linéarités cubiques), obtenus dans des microrésonateurs à forts facteurs de qualité, ont suscité un intérêt significatif tant d'un point de vue théorique que technologique. Plus précisément, ces dispositifs offrent des spectres large bande avec des puissances uniformes pour chaque fréquence générée et un intervalle spectral libre d’une dizaine à quelques centaines de gigahertz, tout en restant compatible avec une intégration à l'échelle de la puce. Les peignes de fréquences de type Kerr peuvent donc adresser une série d'applications très intéressantes, allant du multiplexage massivement parallèle en longueur d'onde (WDM) pour les communications optiques à la télémétrie optique de haute précision et à la spectroscopie à haute résolution. Cependant, malgré ce fort potentiel, le déploiement à grande échelle de sources optiques à base de peignes de fréquences est toujours limité par les niveaux de puissance élevés de la pompe et la faible efficacité de conversion de la puissance liés aux non-linéarités cubiques plutôt faibles. En outre, il n'existe toujours pas de mécanismes efficaces pour contrôler la fréquence de décalage entre la porteuse et l’enveloppe des peignes de fréquences, ce qui entrave l'application de ces peignes à la métrologie optique de haute précision et aux étalons de fréquence optique.

Dans le cadre du projet QuadCOMB, nous proposons d’explorer une nouvelle approche pour la génération de peignes de fréquences dans les circuits intégrés photoniques (PIC) qui offrent une meilleure efficacité de conversion de puissance ainsi qu'une fréquence de décalage porteuse-enveloppe stabilisée en combinant des non-linéarités optiques cubiques de type Kerr et quadratiques. L’idée originale du projet QuadCOMB est de développer des dispositifs hybrides, où les non-linéarités optiques cubiques et quadratiques sont combinées. Deux approches seront développées : (i) la réalisation de chaque effet non-linéaire sur des plateformes d'intégration optique distinctes puis combinées grâce à des connections entre puces par impression 3D ; et (ii) la réalisation de dispositifs monolithiques présentant simultanément des non-linéarités cubiques et quadratiques sur une seule et même plateforme d'intégration. Dans un premier temps, nous développerons un modèle théorique qui tient compte de l'influence simultanée des non-linéarités cubique et quadratique afin d'étudier la dynamique de la formation des peignes de fréquences et de prédire leurs caractéristiques. Sur cette base, nous concevrons, fabriquerons et caractériserons des sources de peignes de fréquences hybrides et monolithiques, en exploitant les non-linéarités cubiques dans des circuits photoniques (PIC) en nitrure de silicium (Si3N4) et des PIC en AlGaAs sur silice offrant à la fois des non-linéarités quadratique et cubique. Ces sources à peignes de fréquences seront exploitées pour adresser les défis liés au traitement des signaux à bande ultra large et à la spectroscopie à haute résolution. En réunissant des chercheurs allemands et français de premier plan et un scientifique de renom en tant que Mercator Fellow, le projet QuadCOMB peut compter sur une combinaison unique au monde de compétences dans le domaine de l'intégration photonique, de l'optique non linéaire et des sources à peigne de fréquences à l'échelle de la puce.