In een voorschot dat veel meettechnologieën zou kunnen doen krimpen, wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en partners hebben de eerste geminiaturiseerde apparaten gedemonstreerd die de gewenste frequenties kunnen genereren, of kleuren, van licht precies genoeg om te herleiden tot een internationale meetstandaard.

De onderzoekers combineerden een paar frequentiekammen, een afstembare mini-laser en elektronica om een ​​optische frequentiesynthesizer te creëren. De vooruitgang brengt de mogelijkheid over om optische frequenties van instrumenten op tafelschaal te programmeren naar drie siliciumchips, met behoud van hoge nauwkeurigheid en precisie.

Net zoals radio- en microgolfchips de elektronicarevolutie aandreven, de miniaturisering van optische frequentiesynthesizers om ze draagbaar te maken en geschikt te maken voor fabricage van grote volumes zou velden zoals tijdwaarneming moeten stimuleren, communicatie, trace gas monitoring en astronomie.

De prototype-synthesizer wordt beschreven in het tijdschrift Natuur , in een artikel dat op 25 april online is geplaatst. Frequentiekammen zijn een Nobelprijs-geëerde technologie die is ontwikkeld door NIST en die cruciaal zijn voor de nieuwste experimentele atoomklokken.

"Niemand wist hoe je een optische frequentiesynthesizer moest maken met kleine chips, " NIST coauteur Scott Papp zei. "Dit is de eerste doorbraak om te laten zien dat je dit kunt doen. Tot nu, niemand heeft ooit een frequentiekam op chipschaal gebruikt om metrologie te doen die volledig herleidbaar is tot een internationale standaard."

Het project werd geleid door NIST-natuurkundigen in Boulder, Colorado, met één kamchip gemaakt aan het California Institute of Technology (Caltech in Pasadena, Californië) en de tweede kamchip gemaakt in NIST's Center for Nanoscale Science and Technology (in Gaithersburg, Maryland.). De Universiteit van Californië in Santa Barbara ontwikkelde een programmeerbare halfgeleiderlaserchip.

Elk van de drie chips is ongeveer 5 millimeter bij 10 millimeter. Met verdere vooruitgang in materialen en fabricage, de chips zullen waarschijnlijk samen worden verpakt door een van de partnerinstellingen van NIST, zei pap.

In een frequentiekam van volledige grootte - meestal met de hand samengesteld uit metalen en glazen componenten - circuleert laserlicht in een optische holte, een gespecialiseerde set spiegels, om een ​​reeks gelijk verdeelde lijnen te produceren die eruitzien als een haarkam waarin elke "tand" een individuele kleur heeft. In de op chips gebaseerde versies, de holtes zijn vlak, ronde racebanen die op silicium zijn gefabriceerd met behulp van geautomatiseerde technieken die vergelijkbaar zijn met die welke worden gebruikt bij het maken van computerchips.

De nieuwe optische synthesizer gebruikt slechts 250 milliwatt (duizendsten van een watt) on-chip optisch vermogen - veel minder dan een klassieke, frequentiekam op ware grootte.

De output van de synthesizer is de programmeerbare laser, waarvan de lichtgolfoscillaties dienen als optische kloktikken die herleidbaar zijn tot de SI-seconde, de internationale standaard van tijd gebaseerd op de microgolftrillingen van het cesiumatoom. De uitgangslaser wordt geleid door de twee frequentiekammen, die zorgen voor gesynchroniseerde verbindingen tussen microgolf- en optische frequenties.

Elke kam is gemaakt van licht dat wordt uitgestraald door een aparte, eenkleurige "pomp" laser. De NIST-kam heeft een diameter van 40 micrometer (miljoensten van een meter). Deze kam heeft een grote afstand tussen de tanden, maar kan zichzelf kalibreren door een octaaf te overspannen - wat, zoals in muziek, verwijst naar het interval tussen twee noten die de helft of tweemaal de frequentie van elkaar zijn. Deze functie kalibreert de synthesizer.

De racetrack is een op maat gemaakte golfgeleider gemaakt van siliciumnitride, die bijzondere eigenschappen biedt die het lichtspectrum verbreden, concentreer het licht in een klein gebied om de intensiteit te verhogen, kan worden afgestemd door veranderingen in de geometrie, en kan worden gemaakt als computerchips door lithografische technieken.

De Caltech-kam is fysiek groter, ongeveer 100 keer breder en gemaakt van gesmolten silica. Maar de tanden van deze kam zijn veel fijner en overspannen een veel smaller golflengtebereik - in de 1550 nanometer band die wordt gebruikt voor telecommunicatie, de focus van de synthesizerdemonstratie. De afstand tussen de tanden is een microgolffrequentie die kan worden gemeten en geregeld ten opzichte van de SI-seconde. Via een digitaal wiskundig conversieproces, deze fijngetande kam identificeert stabiel, nauwkeurige optische frequenties binnen de grotere afstand van de gekalibreerde NIST-kam.

Dus, de twee kammen fungeren als een frequentievermenigvuldiger om de kloktikken van de magnetron naar het optische domein om te zetten met behoud van nauwkeurigheid en stabiliteit.

Het onderzoeksteam demonstreerde het systeem door een reeks optische frequenties in de telecomband te synthetiseren en de prestaties te karakteriseren met een afzonderlijke frequentiekam die is afgeleid van dezelfde klok. Onderzoekers demonstreerden de systeemarchitectuur, de nauwkeurigheid van de frequentiesynthese geverifieerd, en bevestigde dat de synthesizer een stabiele synchronisatie bood tussen de klok- en de kamuitgang.