Mon premier contrat post-doctoral s'est déroulé à l'institut FEMTO-ST de Besançon, et a été financé par la bourse du conseil européen de la recherche ERC Starting grant « Nextphase » obtenue par Yanne Chembo en Novembre 2011. Le but du projet est de réaliser des sources micro-ondes à faible bruit de phase pour des applications aérospatiales. La génération de ce signal micro-onde se fera grâce aux interférences entre les dents d'un peigne de fréquences optiques obtenues par mélange à quatre ondes dans un résonateur de très haute qualité. En tant que premier post-doctorant de ce projet, ma mission fut de produire ce peigne de fréquences optiques, appelé peigne de Kerr.
Photographie d'un résonateur à mode de galerie en fluorure de calcium (CaF2). La lumière (vert) est couplée dans le résonateur grâce à la microfibre, par couplage évanescent. Vous pouvez trouver d'autres photos dans la galerie.
Les résonateurs à modes de galerie sont des disques ou des sphères de matériaux diélectriques. Lorsque la lumière entre tangentiellement dans un tel disque, elle subit des réflexions internes successives et ne peut sortir du résonateur : elle est piégée à l'intérieur de la cavité. Du point de vue de l'optique ondulatoire, des modes optiques résonants sous la surface du disque peuvent être peuplés. Seules les pertes par absorption dans le matériau ou par diffusion sur la surface permettent à la lumière de ne pas rester dans la cavité. Plus ces pertes seront faibles, plus les resonances seront fines et le facteur de qualité du résonateur sera élevé.
Les résonateurs fabriqués à l'institut ont un facteur de qualité de plus de 109 pour une finesse de plus de 20000, ce qui signifie que la lumière fait plus de 20000 tours de la cavité avant d'être absorbée ou diffusée. Toute cette énergie accumulée permet d'obtenir des effets non linéaires intéressants en plus de ses propriétés filtrantes.
Schéma d'un résonateur à mode de galerie. Le trajet de la lumière, en rouge, suit la périphérie du disque par réflexion totale interne. Dans un tel objet, seules certaines longueurs d'ondes peuvent exister ; le spectre de transmission du résonateur est une succession de pics séparés d'une distance fixe : l'intervalle spectral libre (ISL).
L'augmentation de l'intensité optique à la résonance permet d'obtenir des effets non linéaires intéressants dans les résonateurs, et en particulier le mélange à 4 ondes. Le mélange à 4 ondes permet de transformer deux photons incidents aux fréquences α et β en deux photons de fréquences γ et δ, pourvu que les sommes de fréquences soient égales. Ainsi, à partir de deux photons résonants, on peut créer deux photons de fréquences symétriques, elles aussi résonantes. En recommençant cette opération (en cascade), on obtient une série de lignes spectrales équidistantes : c'est un peigne de Kerr.
Schéma de la formation d'un peigne de Kerr par mélange à quatre ondes.
Ces peignes de fréquences présentent une dynamique complexe, avec différents régimes selon les paramètres du résonateur et de la pompe, ... Notre objectif premier est donc d'étudier ces dynamiques et de trouver les paramètres les plus intéressants pour les différentes applications. Ces applications sont diverses : génération de micro-ondes à la fréquence de l'intervale spectral libre du résonateur, utilisation des peignes pour les télécommunications optiques (multiplexage), utilisation en spectroscopie, ...
Réalisation expérimentale d'un peigne de Kerr dans un résonateur à modes de galeries en MgF2.
Pour plus de détails, voici quelques documents plus complets sur le sujet :