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Les solitons de cavité actifs: des impulsions optiques ultra-stables et de hautes puissances pour mesurer les ondes lumineuses

Publié le 10 mai 2021 Mis à jour le 11 mai 2021

Publication dans Nature Photonics : mise en évidence de l’existence de nouveaux solitons de cavité ultra-stables et de hautes puissances. Ce nouveau type d’impulsion, hybrides et universelles, découvertes par les chercheurs du laboratoire OPERA-Photonique de l’Université libre de Bruxelles, pourraient permettre des avancées majeures dans de nombreux domaines tels que les horloges de haute précision.

Contrairement aux oscillations des ondes sonores, les oscillations de la lumière sont si rapides qu’un appareillage extrêmement complexe est nécessaire pour pouvoir directement les observer. Il est cependant possible indirectement de mesurer précisément les fréquences de ces oscillations grâce aux peignes de fréquences. Ces peignes sont composés d’un ensemble de « dents » espacées régulièrement où chaque dent correspond à une fréquence. Utilisés comme de véritables règles graduées, ils offrent la possibilité de mesurer avec une très grande précision une fréquence optique. Cela permet, entre autres, de mesurer les variations de la distance Terre-Lune avec une précision équivalente à la taille d’un cheveu !

On peut montrer que le signal temporel qui correspond à un peigne de fréquences est constitué d’une succession régulière d’impulsions lumineuses, appelé train d’impulsion. Ces impulsions sont ultra-courtes et ont une durée d’un millionième de milliardième de seconde, voire moins !

Il existe actuellement deux grandes méthodes pour générer un train d’impulsion soit via un laser à impulsions soit via une cavité optique passive.

« Certains lasers peuvent directement générer un train d’impulsions. Ce dernier est très énergétique, mais le délai entre deux impulsions successives est sujet à des variations même en l’absence de perturbations extérieures », explique Nicolas Englebert – Laboratoire OPERA-Photonique- Ecole polytechnique de Bruxelles.

L’autre solution se base sur les résonateurs optiques passifs, réalisés par exemple à l’aide de fibres optiques. Elle permet de générer une impulsion qui s’y propage indéfiniment, un soliton de cavité lorsqu’un faisceau laser continu est injecté à son entrée. La période du train résultant, en l’absence de perturbation extérieure, est ici fixe contrairement aux lasers impulsionnels. Malheureusement, son énergie est limitée.

Chaque plateforme possède donc ses avantages et inconvénients. Or, pour certaines applications (LiDAR), il est nécessaire d’avoir un train d’impulsions à la fois énergétique et ultra-stable.

Des recherches récentes réalisées par le Laboratoire OPERA-Photonique de l’ULB, publiées dans la revue Nature Photonics, montrent l’existence de nouveaux solitons de cavité ultra-stables et de hautes puissances : les solitons de cavité actifs.

« Ces solitons émergent au sein d’un résonateur à signal injecté dans lequel se trouve une section d’amplification finement ajustée. Le but de cette section est de compenser une partie des pertes que subit l’onde (le soliton) à chaque tour. Si l’amplification est trop faible par rapport aux pertes, le soliton ne peut exister. Par contre, si l’amplification est supérieure à ces pertes, une émission laser se produira. Grâce à cette compensation partielle des pertes, il devient tout à fait possible d’extraire une grande partie de l’énergie du soliton (plus de 30%!) sans compromettre son existence », souligne Nicolas Englebert.

De plus, comme la section d’amplification est choisie telle que l’émission laser ne se produise pas, le train d’impulsion hérite des propriétés de stabilité des résonateurs passifs. Le soliton de cavité actif (ACS) combine ainsi les avantages des trains d’impulsions générés par les lasers impulsionnels et les résonateurs passifs.

Ce nouveau type de soliton universel et hybride pourrait déclencher de nombreuses expériences sur différentes plates-formes, en particulier dans le domaine de l’optique intégré où les résonateurs passifs ont le monopole, mais où les applications en dehors des laboratoires tardent à apparaître. Ce nouveau concept ne se limite pas à la génération de solitons. Grâce à cette nouvelle cavité hybride, des composants induisant beaucoup de pertes (cristal, fibre particulière, …) peuvent maintenant être placés dans un résonateur, ouvrant la voie à l’étude de phénomènes jusqu'à présent inaccessibles expérimentalement. L’invention fait l’objet d’une demande de brevet déposée au nom de l’ULB.

 

Contact scientifique

Nicolas Englebert,
Service OPERA-Photonique
Nicolas.Englebert@ulb.be
+32 650 27 95

Contact
Communication Recherche : com.recherche@ulb.ac.be