L’une des faiblesses des capteurs quantiques à atomes de Rydberg est leur capacité à changer rapidement la fréquence de détection du signal radiofréquence (RF). Pour changer la fréquence de détection du capteur, il faut déplacer la longueur d’onde du laser de couplage sur une large gamme de longueurs d’onde, qui peut être de l’ordre de plusieurs nanomètres. Le reverrouillage du laser et le décalage de longueur d’onde sont des étapes lentes, qui prennent au minimum des centaines de millisecondes. La gamme de décalage de longueur d’onde est également limitée comparativement aux technologies laser classiques. La commutation rapide des longueurs d’onde du laser est essentielle pour des applications comme l’exécution efficace de tests et mesures, les communications multi-bandes et l’analyse de signaux.

Un laser passe à travers plusieurs éléments qui produisent une laser amplifiée de la fréquence souhaitée.
Fig. 1 : Schéma de la méthode utilisée pour la commutation rapide de la source laser à 1455 nm. Un modulateur électro-optique (MOE) est utilisé pour générer un peigne de fréquences, qui est divisé au moyen d’un réseau sélectif planaire (AWG pour arrayed waveguide grating). La fréquence souhaitée est sélectionnée à l’aide d’un commutateur optique, puis un autre MOE effectue le décalage correspondant.

Nous avons conçu un système laser stable capable de commuter rapidement entre différentes longueurs d’onde cibles. Les temps de commutation, qui peuvent être inférieurs à 1 microseconde (μs), sont limités par les temps de commutation électro-optiques. Le système est constitué de plusieurs composants essentiels : un laser stable à onde continue verrouillé à une fréquence de référence; un peigne de fréquences plat; un filtre de fréquences; et un décaleur de fréquence à grande vitesse. Dans cette approche, le laser n’a jamais besoin de changer de fréquence et sert de référence de fréquence stable pour le système. Une raie du peigne, générée à partir de la référence de fréquence stable proche de la longueur d’onde cible, est sélectionnée, amplifiée et réglée avec précision sur l’état de Rydberg correspondant.

Afin de démontrer la polyvalence du système, nous l’avons utilisé pour la détection de radiofréquences dans des cellules à vapeur à atomes de Rydberg. Le profil spectral du peigne de fréquences observé, représenté à la figure 2, est remarquablement plat. La largeur de bande des 61 raies se limite à 3 dB sur une gamme de longueurs d’onde de 8 nm.

À la figure 3a, on peut voir le système effectuer une commutation entre deux états Rydberg. L’action de commutation commence à t = 10 millisecondes (ms), indiqué par la ligne verticale pointillée à la figure 3a. La chute de la courbe sur le graphique désigne le délai associé au processus de commutation. Le temps de commutation était ici de 400 μs. En utilisant la fonctionnalité de balayage de fréquences du décaleur, on peut balayer le laser à la sortie du système sur la gamme associée aux caractéristiques spectrales de Rydberg (figure 3b).

Une graphique en courbe dentelé montrant la puissance normalisée en décibels sur l’axe verticale, et longueur d’onde en nanomètres sur l’axe horizontale.
Fig. 2 : Profil spectral observé du peigne de fréquences utilisé pour la commutation rapide de longueurs d’onde. La largeur de bande des 61 raies se limite à 3 dB, permettant la commutation sur une gamme de longueurs d’onde de 8 nm.
La graphique en courbe gauche montre l’intensité du champ RF sur l’axe verticale, et le temps en millisecondes sur l’axe horizontale. La graphique en courbe droite montre l’intensité du champ RF sur l’axe verticale, et la fréquence de balayage en mégahertz sur l’axe horizontale.
Fig. 3 : Démonstration du temps de commutation du laser. (a) Le décalage de fréquence du laser est maintenu constant pendant que le laser passe du niveau 65D au niveau 62D de Rydberg. Le temps de commutation est de 400 μs. (b) Le décalage de fréquence du laser est balayé, ce qui permet d’observer les formes de raie des deux niveaux de Rydberg.
1 u.a. = unités arbitraires

Nous avons amélioré la vitesse de commutation du système en créant un schéma « ping-pong » pour changer la fréquence de détection; Fig. 4. Le processus de détection RF alterne entre deux fréquences de détection : l’une à 9,6 GHz avec une modulation de 100 kHz et l’autre à 8,3 GHz avec une modulation de 65 kHz; Fig. 5. Au final, la vitesse de commutation était inférieure à 50 μs, limitée par le temps de reverrouillage du décaleur de fréquence.

Plusieurs éléments sont câblés à un circuit.
Fig. 4 : Illustration du schéma ping-pong utilisé pour changer de fréquence de détection. Deux synthétiseurs RF sont raccordés à un commutateur RF. Lorsqu’une fréquence est active, l’autre synthétiseur RF est réglé sur la fréquence suivante.
Un graphe avec fréquence de modulation en kilohertz sur l’axe verticale, et le temps en millisecondes sur l’axe horizontale. Une légende en couleur montre la puissance/ fréquence en unités arbitraires.
Fig. 5 : Temps de commutation du niveau 65D au niveau 62D, mesuré à l’aide de la méthode améliorée de commutation de fréquence
1 u.a. = unités arbitraires

Publications représentatives :

  1. « Tuning the output of a laser, » C. Liu, K.A. Nickerson, M. Hajialamdari, and J.P. Shaffer, US patent 11,658,461 B1 (2023).

Organismes de financement:

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