Op de cover van het Pink Floyd-album Dark Side of the Moon staat een prisma splitst een lichtstraal in alle kleuren van de regenboog. Deze veelkleurige medley, die zijn ontstaan ​​te danken heeft aan het feit dat licht zich voortplant als een golf, verbergt zich bijna altijd in het volle zicht; een prisma onthult gewoon dat het er was. Bijvoorbeeld, zonlicht is een mengsel van veel verschillende kleuren licht, elk op en neer dobberen met hun eigen karakteristieke frequentie. Maar bij elkaar vloeien de kleuren samen in een uniforme geelachtige gloed.

een prisma, of iets dergelijks, kan deze splitsing ook ongedaan maken, het mengen van een regenboog in een enkele straal. Terug in de late jaren 1970, wetenschappers ontdekten hoe ze veel kleuren licht konden genereren, gelijkmatig verdeeld in frequentie, en meng ze samen - een creatie die bekend werd als een frequentiekam vanwege de stekelige manier waarop de frequenties op een rij stonden als de tanden op een kam. Ze overlapten ook de toppen van de verschillende frequenties op één plek, waardoor de kleuren samenkomen om korte lichtpulsen te vormen in plaats van één continue straal.

Naarmate de frequentiekamtechnologie zich ontwikkelde, wetenschappers realiseerden zich dat ze nieuwe laboratoriumontwikkelingen mogelijk konden maken, zoals ultraprecieze optische atoomklokken, en tegen 2005 hadden twee wetenschappers met frequentiekammen een deel van de Nobelprijs voor natuurkunde verdiend. Tegenwoordig, frequentiekammen vinden toepassingen in moderne technologie, door zelfrijdende auto's te helpen "zien" en optische vezels toe te staan ​​veel kanalen aan informatie tegelijk te verzenden, onder andere.

Nutsvoorzieningen, een samenwerking van onderzoekers van de Universiteit van Maryland (UMD) heeft een manier voorgesteld om frequentiekammen ter grootte van een chip tien keer efficiënter te maken door gebruik te maken van de kracht van topologie - een gebied van abstracte wiskunde dat ten grondslag ligt aan enkele van de meest eigenaardige gedragingen van moderne materialen . Het team, geleid door JQI Fellows Mohammad Hafezi en Kartik Srinivasan, evenals Yanne Chembo, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de UMD en lid van het Institute for Research in Electronics and Applied Physics, publiceerden hun resultaat onlangs in het tijdschrift Natuurfysica .

"Topologie is in het afgelopen decennium naar voren gekomen als een nieuw ontwerpprincipe in de optica, " zegt Hafezi, "en het heeft geleid tot veel intrigerende nieuwe fenomenen, sommige zonder elektronische tegenhanger. Het zou fascinerend zijn als men ook een toepassing van deze ideeën vindt."

Kleine chips die een frequentiekam kunnen genereren, bestaan ​​al bijna vijftien jaar. Ze worden geproduceerd met behulp van microringresonatoren - cirkels van materiaal die bovenop een chip zitten en licht in een lus rondleiden. Deze cirkels zijn meestal gemaakt van een siliciumverbinding met een diameter van 10 tot 100 micron en worden rechtstreeks op een printplaat afgedrukt.

Licht kan in de microring worden gestuurd vanuit een aangrenzend stuk siliciumverbinding, in een rechte lijn in de buurt afgezet. Als de frequentie van het licht overeenkomt met een van de natuurlijke frequenties van de resonator, het licht zal duizenden keren rond en rond gaan - of resoneren - en de lichtintensiteit in de ring opbouwen voordat het terug lekt in het rechte lijnspoor.

Duizenden keren rondcirkelen geeft het licht veel kansen om te interageren met het silicium (of een andere verbinding) waar het doorheen reist. Deze interactie zorgt ervoor dat andere kleuren licht opduiken, onderscheiden van de kleur die naar de resonator wordt gestuurd. Sommige van die kleuren zullen ook resoneren, rond en rond de cirkel gaan en macht opbouwen. Deze resonerende kleuren hebben gelijkmatig verdeelde frequenties - ze komen overeen met golflengten van licht die een geheel getal zijn van de ringomtrek, netjes in de cirkel vouwen en de frequenties dwingen om de tanden van een kam te vormen. Met precies het juiste ingangsvermogen en de juiste kleur, de toppen van alle kleuren overlappen elkaar automatisch, stabiele kam maken. De gelijkmatig verdeelde kleuren waaruit de kam bestaat, komen samen om een ​​enkele, smalle lichtpuls die rond de ring circuleert.

"Als je de kracht en de frequentie van het licht dat de resonator binnengaat afstemt om precies goed te zijn, op magische wijze krijg je aan de uitgang deze lichtpulsen, " zegt Sunil Mittal, een postdoctoraal onderzoeker bij JQI en de hoofdauteur van het artikel.

On-chip frequentiekammen zorgen voor compacte toepassingen. Bijvoorbeeld, lichtdetectie en -bereik (LIDAR) stelt zelfrijdende auto's in staat om te detecteren wat er om hen heen is door korte lichtpulsen die worden geproduceerd door een frequentiekam uit de omgeving te laten weerkaatsen. Als de hartslag terugkomt in de auto, het wordt vergeleken met een andere frequentiekam om een ​​nauwkeurige kaart van de omgeving te krijgen. op het gebied van telecommunicatie, kammen kunnen worden gebruikt om meer informatie in één optische vezel te verzenden door verschillende gegevens op elk van de kamtanden te schrijven met behulp van een techniek die golflengte-verdelingsmultiplexing (WDM) wordt genoemd.

Maar frequentiekammen op chipschaal hebben ook hun beperkingen. In één microring, de fractie van het vermogen dat kan worden omgezet van de ingang in een kam aan de uitgang - de modusefficiëntie - is fundamenteel beperkt tot slechts 5 procent.

Mittal, Hafezi, en hun medewerkers hebben eerder een microringarray ontwikkeld met ingebouwde topologische bescherming, en gebruikte het om losse fotonen op aanvraag te leveren en op bestelling gemaakte verstrengelde fotonen te genereren. Ze vroegen zich af of een vergelijkbare opstelling - een vierkant rooster van microringresonatoren met extra "link" -ringen - ook zou kunnen worden aangepast om de frequentiekamtechnologie te verbeteren.

In deze instelling, de microringen langs de buitenrand van het rooster worden onderscheiden van alle ringen in het midden. Licht dat naar het rooster wordt gestuurd, brengt het grootste deel van zijn tijd door langs deze buitenrand en, vanwege de aard van de topologische beperkingen, het verspreidt zich niet in het midden. De onderzoekers noemen deze buitenste cirkel van microringen een superring.

Het team hoopte magische omstandigheden te vinden die een frequentiekam zouden vormen in de pulsen die rond de superring circuleren. Maar dit is lastig:elk van de ringen in het rooster kan zijn eigen lichtpuls hebben die rond en rond cirkelt. Om één grote lichtpuls rond de superring te krijgen, de pulsen binnen elke microring zouden moeten samenwerken, synchroniseren om een ​​algemene puls te vormen die rond de hele grens gaat.

Mittal en zijn medewerkers wisten niet met welke frequentie of kracht dit zou gebeuren, of het überhaupt zou werken. Om erachter te komen, Mittal schreef computercode om te simuleren hoe licht het 12 bij 12 ringrooster zou doorkruisen. Tot verbazing van het team niet alleen vonden ze parameters die ervoor zorgden dat de microringpulsen synchroon liepen met een superringpuls, maar ze ontdekten ook dat de efficiëntie een factor tien hoger was dan mogelijk was voor een kam met één ring.

Deze verbetering heeft alles te danken aan de samenwerking tussen microringen. De simulatie toonde aan dat de tanden van de kam op een afstand van elkaar stonden in overeenstemming met de grootte van individuele microringen, of golflengten die netjes rond de kleine cirkel vouwen. Maar als je inzoomt op een van de individuele tanden, je zou zien dat ze echt waren onderverdeeld in kleinere, meer fijn verdeelde ondertanden, overeenkomend met de grootte van de superring. Simpel gezegd, het invallende licht werd gekoppeld aan een paar procent efficiëntie in elk van deze extra ondertanden, waardoor de totale efficiëntie de 50 procent kan overschrijden.

Het team werkt aan een experimentele demonstratie van deze topologische frequentiekam. Met behulp van simulaties, ze konden siliciumnitride uitkiezen als een veelbelovend materiaal voor de microringen, en uitzoeken welke frequentie en kracht van het licht ze moeten uitzenden. Ze geloven dat het bouwen van hun superefficiënte frequentiekam binnen het bereik moet liggen van de huidige geavanceerde experimentele technieken.

Als zo'n kam is gebouwd, het kan belangrijk worden voor de toekomstige ontwikkeling van verschillende sleuteltechnologieën. De hogere efficiëntie kan toepassingen zoals LIDAR in zelfrijdende auto's of compacte optische klokken ten goede komen. Aanvullend, de aanwezigheid van fijn verdeelde ondertanden rond elke individuele tand kan, bijvoorbeeld, ook helpen bij het toevoegen van meer informatiekanalen in een WDM-zender.

En het team hoopt dat dit nog maar het begin is. "Er kunnen veel toepassingen zijn die we nog niet eens kennen, ", zegt Mittal. "We hopen dat er veel meer toepassingen komen en dat meer mensen geïnteresseerd zullen zijn in deze aanpak."