Grant: Collaborative Science, Technology and Innovation Program - Collaborative R&D Initiatives

The Project addresses the critical need for ultraprecise timing and synchronization in PNT sectors. The objective is to develop a new class of semiconductor lasers capable of generating optical frequency combs alongside squeezed quantum states of light. High-precision timing and synchronization are essential for navigation, communications, defense, and industrial metrology systems. Although current optical comb-based synchronizers can achieve femtosecond-level precision, their performance is ultimately constrained by shot noise, especially over long-distance fiber links. Quantum-squeezed light can overcome these noise limits, offering a pathway to even higher timing accuracy. However, existing squeezed-light source remain impractical for field deployment due to their large size, complexity, fragility and incompatibility with large-scale integration. The Project's solution involves embedding an InAs/InP quantum-dot gain medium into our uniquely customized laser cavity structures. These materials enable ultrafast carrier dynamics and inherently low phase noise,both of which are essential for generating nonlinear optical effects such as four-wave mixing and Kerr-induced comb formation. To enhance device performance, the Project designs multifunctional thin-film coatings on the laser facets that simultaneously control reflectivity and manage dispersion.This engineered dispersion supports phase matching, enabling efficient generation of frequency combs with quadrature-squeezed light directly on a chip. By leveraging the NRC's expertise in quantum dot coherent comb laser development and Laval University, Prof. Grillot's recent achievements in nonlinear photonics and non-classical light generation, the Project establishes a clear path toward prototype demonstration. Potential beneficiaries include providers of navigation and quantum-secured internetworking seeking ultra-stable timing; autonomous vehicle and defense systems requiring high-precision ranging; and industrial and environmental monitoring sectors that demand compact, multi-parameter sensors. The Project will catalyze a shift from laboratory-based quantum optics to ubiquitous, high-impact (TRL 6) applications. It aligns directly with Canada's National Quantum Strategy and strengthens the country's leadership in next-generation metrology and quantum enabled innovation.

Ce projet vise à répondre au besoin critique de synchronisation et de chronométrage ultraprécis dans les domaines de positionnement, de navigation et de synchronisation (PNS), en développant une nouvelle génération de lasers à semi-conducteurs capables de produire des peignes de fréquences optiques et des états quantiques de lumière comprimée. Une synchronisation et un chronométrage de haute précision sont essentiels pour les systèmes de navigation, de communication, de défense et de métrologie industrielle. Les synchroniseurs optiques à peigne actuels, bien qu’atteignant une précision de l’ordre de la femtoseconde, sont limités par le bruit de grenaille, particulièrement sur les liaisons par fibre optique sur longue distance. La lumière quantique comprimée peut surmonter ces limites avec une précision de synchronisation encore plus élevée. Toutefois, les sources de lumière comprimées actuelles demeurent peu pratiques pour un déploiement sur le terrain en raison de leur taille, complexité, fragilité et incompatibilité avec l’intégration à grande échelle. Le projet propose d’intégrer un milieu amplificateur à points quantiques InAs/InP dans des structures de cavité laser spécialement conçues. Ces matériaux offrent une dynamique de porteurs ultrarapide et un bruit de phase intrinsèquement faible, essentiels pour générer des effets optiques non linéaires tels que le mélange à 4 ondes et la formation de peignes induite par l’effet Kerr. Pour optimiser les performances, des revêtements en couches minces multifonctionnels seront conçus sur les facettes du laser, contrôlant la réflectivité et la gestion de la dispersion. Cette dispersion contrôlée favorise l’adaptation de phase, permettant la génération efficace de peignes de fréquences avec une lumière à quadrature comprimée sur une puce. En s’appuyant sur l’expertise du CNRC en lasers à peigne cohérent à points quantiques et sur les avancées du professeur Grillot de l’Université Laval en photonique non linéaire et génération de lumière non classique, le projet vise à démontrer un prototype. Les bénéficiaires potentiels incluent les fournisseurs de services de navigation et de réseaux sécurisés par technologie quantique, les systèmes de véhicules autonomes et de défense nécessitant une télémétrie précise, ainsi que les domaines de la surveillance industrielle et environnementale exigeant des capteurs compacts et multiparamétriques. Ce projet catalysera le passage de l’optique quantique en laboratoire à des applications omniprésentes et à fort impact (NMT 6), contribuant à la stratégie nationale quantique du Canada et renforçant son leadership en métrologie de nouvelle génération et innovation quantique.

In the short term, anticipated outcomes will be strengthened collaborations across industry, academia, and government to support research excellence. In the medium term, anticipated outcomes will be the development of new and potentially disruptive technologies with collaborators. In the long term, find collaborative solutions to public policy challenges and create stronger innovation systems.

À court terme, les résultats prévus seront des collaborations renforcées entre l'industrie, le milieu universitaire et le gouvernement pour soutenir l'excellence en recherche. À moyen terme, les résultats attendus seront le développement de nouvelles technologies potentiellement perturbatrices avec des collaborateurs. À long terme, trouver des solutions collaboratives aux défis des politiques publiques et créer des systèmes d'innovation plus solides.

Collaborate on multiparty research and development programs to catalyze transformative, high-risk, high-reward research with the potential for game-changing scientific discoveries and technological breakthroughs in priority areas.

Collaborer à des programmes multipartites de recherche-développement dans le but de profiter de la synergie entre la recherche transformatrice à haut risque et à haut rendement et le potentiel de découvertes scientifiques et de percées technologiques révolutionnaires dans des secteurs d’intervention prioritaires.