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Augmenter la bande passante de processeurs atomiques en matrice cristalline par codopage

par com.lac - publié le

Augmenter la bande passante de processeurs atomiques en matrice cristalline par codopage

Lorsqu’ils sont refroidis à quelques kelvins, les cristaux dopés aux ions de terre rare offrent des propriétés remarquables car ils combinent une largeur inhomogène de l’ordre du GHz et une résolution spectrale en général très inférieure au MHz. Ils sont capables par ailleurs de mémoriser à l’échelle de la microseconde un profil spectral pendant des temps qui vont de 10ms à plusieurs jours. C’est pourquoi ils sont utilisés comme processeurs optiques programmables pour une grande variété d’applications allant des mémoires quantiques au traitement de signaux radio-fréquence.


Dans de tels processeurs, la bande passante est fixée par la largeur inhomogène du profil d’absorption, qui est elle-même donnée par les imperfections dans la structure cristalline. En ajoutant dans la matrice une deuxième espèce atomique (ici, des ions scandium Sc3+) dont le rayon ionique ne coïncide pas avec la taille du site où elle vient s’insérer, on augmente la quantité de désordre et donc la raie d’absorption s’élargit. Les travaux portent sur deux cristaux : Er:YSO, absorbant à la longueur d’onde télécom (1,5 µm) et donc particulièrement intéressant pour les communications quantiques, et Tm:YAG, absorbant à 793 nm et plutôt adapté au traitement de signaux RF grâce à sa largeur inhomogène de 20 GHz.


Dans le cas de Er:YSO, la raie, habituellement large de 0,5 GHz, s’élargit à 25 GHz si l’on substitue 1% d’ions yttrium avec des ions scandium. Il se produit également un léger décalage du centre de la raie de 9 GHz vers le bleu.


Dans le cas de Tm:YAG, l’ajout de 1% de scandium fait passer la largeur inhomogène de 19 GHz à 26 GHz. Des céramiques opaques, plus rapides et moins coûteuses à fabriquer qu’un monocristal, ont été produites à l’IRCP avec des taux de codopage variés (voir Figure). Dans les céramiques codopées avec 6% de scandium, la largeur inhomogène dépasse alors 100 GHz. Des cristaux codopés Tm:Sc:YAG devraient donc permettre de traiter des signaux radio-fréquence très large bande (supérieure à 40GHz).



Figure : Profils d’absorption de céramiques Tm:Sc:YAG pour différents taux de scandium. La raie inhomogène lorentzienne s’élargit linéairement avec le taux de Sc.


En savoir plus : Effects of disorder on optical and electron spin linewidths in Er3+,Sc3+:Y2SiO5, S. Welinski, C. W. Thiel, J. Dajczgewand, A. Ferrier, R. L. Cone, R. M. Macfarlane, T. Chanelière, A. Louchet-Chauvet, and Ph. Goldner, Optical Materials 63, 69 (2017).
Scandium doped Tm:YAG ceramics and single crystals : coherent and high resolution spectroscopy, A. Ferrier, S. Ilas, P. Goldner, A. Louchet-Chauvet, Journal of Luminescence 194, 116 (2017).


Contact : Anne Louchet-Chauvet, Thierry Chanelière (Equipe PAMS)