LIVRE BLANC : Conversion de longueur d'onde en environnements difficiles

Quant µm Synchronisation et détection

Il existe un besoin urgent et prioritaire de solutions de synchronisation et de détection de nouvelle génération pour des applications importantes, notamment :

• Navigation autonome et détection inertielle (pour une utilisation dans des environnements sans GPS)
• Détection gravimétrique et magnétique (y compris la surveillance environnementale en orbite terrestre et les levés topographiques terrestres)

La technologie de nouvelle génération qui fournit ces solutions exploite les effets µm à l'échelle micrométrique, notamment grâce au piège magnéto-optique basé sur l'atome µm rubidium (Rb-MOT). Le Rb-MOT permet d'utiliser des « atomes froids » comme horloges atomiques ultra-précises et capteurs ultra-sensibles pour mesurer l'accélération.¹

On prévoit que la demande pour ces applications et d'autres encore entraînera une forte croissance des marchés de la détection et du chronométrage quantiques à l'échelle µm . Le marché des capteurs quantiques à l'échelle µm représente actuellement 260 millions de dollars et devrait atteindre 565 millions de dollars d'ici 2027 (TCAC de 16,8 %).²

Ces applications de détection et de synchronisation nécessitent que la technologie quantique µm soit transférée « hors du laboratoire » et qu'elle soit sous une forme robuste capable d'être déployée et exploitée dans des environnements distants et difficiles (terrestres, maritimes, aériens ou spatiaux).

Conversion de longueur d'onde

Le niobate lithi µm à polarisation périodique (PPLN) est un cristal optique non linéaire permettant de modifier la longueur d'onde des lasers. Pour les applications quantiques µm , le PPLN permet de convertir des lasers standard en longueurs d'onde spécifiques à des atomes ou des ions, autrement difficiles à obtenir. Dans le cas des pièges à atomes de rubidium, le PPLN permet de convertir des lasers de télécommunications de 1560 nm, utilisés dans l'industrie, en la longueur d'onde de 780 nm nécessaire au refroidissement du rubidium. Cette approche est particulièrement intéressante pour les environnements extrêmes, comme l'espace, car les lasers de télécommunications sont fiables, robustes et conçus pour des milliers d'heures de fonctionnement.

Les guides d'ondes PPLN offrent l'avantage supplémentaire d'efficacités de conversion très élevées allant jusqu'à 70 % ³ et peuvent fonctionner jusqu'au niveau du Watt, permettant un cycle rapide de mesures de détection Rb.

Investissements au Royaume-Uni

L'investissement mondial actuel dans les technologies quantiques µm est estimé à plus de 20 milliards de dollars par an. Le Royaume-Uni s'est engagé à investir 1 milliard de livres sterling sur 10 ans. Cet investissement comprend des programmes de R&D financés par Innovate UK (IUK) qui étudient le potentiel de durcissement des technologies quantiques µm , y compris les systèmes et composants associés. Covesion participe activement à µm de ces projets

• QT Assemble – un programme de soutien visant à développer la chaîne d'approvisionnement britannique pour les produits et systèmes optiques permettant la quantification µm .
• CASPA – Charge utile spatiale à atomes froids. L'objectif de CASPA était de concevoir un système capable de piéger des atomes de rubidium de manière autonome dans l'environnement spatial. CASPA constituait la première étape de validation du concept de base et d'acquisition d'expérience sur les sous-systèmes et la conception globale d'un démonstrateur d'atomes froids. Covesion a fourni la puce de guide d'ondes PPLN pour son intégration dans le sous-système optique.
• SNORQL – Optique non linéaire certifiée pour l'espace pour lasers quantiques µm robustes. L'objectif de SNORQL était de démontrer l'efficacité des guides d'ondes PPLN couplés à des fibres Covesion dans un transistor magnéto-optique au rubidium (Rb-MOT) et de réaliser des essais pour évaluer les performances du boîtier dans des conditions environnementales simulées (thermiques, vibratoires, de choc et de radiation) en vue d'une qualification pré-spatiale.

« On estime actuellement à plus de 20 milliards de dollars par an les investissements mondiaux dans les technologies µm quantitatives. Le Royaume-Uni s’est engagé à investir 1 milliard de livres sterling sur 10 ans dans ce cadre. »

performances du guide d'ondes PPLN

Trois critères clés doivent être remplis afin de démontrer que les guides d'ondes PPLN constituent une solution viable pour la conversion de longueur d'onde dans des environnements difficiles ;

• Le guide d'ondes doit fournir la puissance et l'efficacité de conversion requises par la technologie quantique µm (Rb-MOT)
• Un conditionnement par fibre optique doit être disponible pour permettre à cette technologie de sortir du laboratoire et d'être intégrée à un système prêt à l'emploi
• Le guide d'ondes doit démontrer un fonctionnement fiable à long terme et être capable de résister aux conditions environnementales auxquelles il sera exposé (thermiques, vibratoires, chocs, radiations).

Covesion a testé son module guide d'ondes standard, disponible dans le commerce, en fonction de ces critères. Il convient de souligner que ce module à fibre optique n'a PAS été conçu pour résister aux environnements difficiles et que ce travail a donc été entrepris pour évaluer ses performances et orienter les développements nécessaires à son renforcement.

« En exploitant les propriétés quantiques µm µm refroidis et piégés , il est possible de réaliser des mesures de gravité ultra-précises, qui présentent de nombreuses applications pratiques potentielles. » Tristan Valenzuela, responsable des capteurs quantiques µm , STFC RAL Space.

Tests de durée de vie et d'efficacité

Le module de guide d'ondes Covesion a démontré une conversion de longueur d'onde à haut rendement pendant plus de 1 000 heures de fonctionnement. Avec un rendement de conversion global de génération de seconde harmonique (GSH) pouvant atteindre 50 %, le module fournit la puissance de sortie de niveau Watt à 780 nm nécessaire pour permettre un cycle rapide des mesures de détection Rb-MOT.

L'un des principaux objectifs du projet SNORQL était de fournir une puissance de sortie SHG de 1 W pour une puissance minimale p µm p, une exigence primordiale pour la détection gravimétrique spatiale.

Tests environnementaux

Des tests environnementaux (thermiques, de vibration, de choc, de rayonnement) ont été effectués selon les normes MIL (MIL-STD-883K) afin d'évaluer la robustesse du module de guide d'ondes et la nécessité d'une robustesse supplémentaire.

Globalement, le module offre de bonnes performances malgré l'absence de conception spécifique pour les environnements difficiles. Un µm des résultats des tests est présenté dans le tableau, répartis selon quatre propriétés du boîtier : mécanique (boîtier du module), électrique (connexions électriques internes), optique (trajet du faisceau optique de l'entrée à la sortie de la fibre) et puce de guide d'ondes (puce de guide d'ondes PPLN). Pour chaque propriété, une coche indique que le boîtier a réussi le test environnemental correspondant, tandis qu'un « D » signifie que des améliorations sont nécessaires et qu'une piste de développement a été identifiée.

Il convient de noter que, lors de tous les tests, la puce de guide d'ondes PPLN a passé avec succès tous les essais sans présenter le moindre dommage (casse, fissure, etc.) et a conservé la même efficacité de génération de second harmonique (GSH) avant et après les tests. Ceci démontre que la technologie du matériau PPLN sous-jacent offre une solution robuste pour un fonctionnement optimal dans des environnements difficiles.

Les propriétés mécaniques et électriques du boîtier ont résisté à tous les tests, confirmant que son point faible (sans surprise) réside dans le trajet optique. Ce dernier s'est dégradé de manière µm et variable selon les conditions d'exposition. Les fibres optiques ont subi des dommages thermiques et d'irradiation, facilement remédiables par l'utilisation de fibres optiques haute température et résistantes aux radiations. Le couplage optique des fibres optiques d'entrée et de sortie a été endommagé lors des tests de vibration et de choc. Des améliorations du guide d'ondes et de la structure de support des fibres sont donc nécessaires. Une solution à faible risque pour y parvenir a été identifiée : la refonte de la conception et l'utilisation de matériaux de collage optimisés.

S µm mary

L'approche de Covesion consiste à tirer parti de ses investissements internes en participant à des collaborations financées par l'IUK avec des partenaires britanniques et européens du secteur des technologies quantiques µm . Cela nous a permis de développer une stratégie de commercialisation pour des modules de conversion de longueur d'onde robustes, répondant aux exigences des applications en environnements extrêmes. Ces modules sont indispensables à l'exploitation d'applications quantiques µm clés, notamment les horloges atomiques de nouvelle génération, les accéléromètres et les gravitomètres ultrasensibles.

Un vaste programme d'essais et de développement a été entrepris afin d'étendre l'utilisation des modules de guides d'ondes à fibre PPLN aux environnements extrêmes, y compris l'espace. Les essais environnementaux ont démontré qu'avec quelques améliorations supplémentaires, notre boîtier de guide d'ondes existant est adapté à une durcissement et qu'une méthode à faible risque a été identifiée pour développer des modules robustes capables de fonctionner dans des environnements extrêmes, y compris en vue de la certification spatiale.

« Covesion souhaite nouer des partenariats avec des organisations désireuses de développer et d'exploiter davantage cette technologie pour une utilisation en environnements difficiles. » Corin Gawith, CTO , Covesion

Remerciements

Covesion tient à remercier Innovate UK, l'agence nationale britannique pour l'innovation, pour son soutien.

Références

1. M. Odstrcil et al., « Imagerie diffractive cohérente ptychographique non linéaire », Optics Express, pp. 20245-20252, 2016.
2. Hsiang-Yu Lo, et al., « Systèmes laser à onde continue entièrement à l'état solide pour l'ionisation, le refroidissement et la manipulation de l'état quantique µm des ions béryllium µm », « Applied Physics B, vol. 114, p. 17-25, 2014.
3. Diviya Devani, et al., « Détection de la gravité : piège à atomes froids à bord d'un CubeSat 6U », CEAS Space Journal, vol. 12, p. 539-549, 2020.
4. Sam A. Berry, et al, « Guides d'ondes à crête découpée indiffusés au Zn dans MgO:PPLN générant 1 watt SHG 780 nm à 70 % d'efficacité », OSA Continu µm , vol. 2, no. 12, pp. 3456-3464, 2019.
5. Thomas A. Wright et al., « Interface photonique bidirectionnelle pour relier la transition Sr+ à 422 nm aux télécommunications », Phys. Rev. Applied, vol. 10, p. 044012, 2018.