Optische frequentiekammen zijn laserbronnen waarvan het spectrum bestaat uit een reeks discrete, gelijkmatig verdeelde frequentielijnen die kunnen worden gebruikt voor nauwkeurige metingen. In de laatste twee decennia, ze zijn een belangrijk hulpmiddel geworden voor toepassingen zoals nauwkeurige afstandsmeting, spectroscopie, en telecommunicatie.

De meeste commercieel beschikbare optische frequentiekambronnen op basis van mode-lock lasers zijn groot en duur, waardoor hun potentieel voor gebruik in grote volumes en draagbare toepassingen wordt beperkt. Hoewel chipschaalversies van optische frequentiekammen met microresonatoren voor het eerst werden gedemonstreerd in 2007, een volledig geïntegreerde vorm werd gehinderd door hoge materiaalverliezen en complexe excitatiemechanismen.

Onderzoeksteams onder leiding van Tobias J. Kippenberg van EPFL en Michael L. Gorodetsky van het Russische Quantum Center hebben nu een geïntegreerde soliton-microkam gebouwd die werkt met een herhalingssnelheid van 88 GHz met behulp van een indiumfosfidelaserdiode op chipschaal en de siliciumnitride (Si ₃ N ₄ ) microresonator. Slechts één kubieke centimeter groot, het apparaat is tot nu toe de kleinste in zijn soort.

Het siliciumnitride (Si ₃ N ₄ ) microresonator is vervaardigd met behulp van een gepatenteerd fotonisch Damascene reflow-proces dat ongekend lage verliezen oplevert in geïntegreerde fotonica. Deze ultra-low-loss golfgeleiders overbruggen de kloof tussen de op chips gebaseerde laserdiode en de vermogensniveaus die nodig zijn om de dissipatieve Kerr-solitontoestanden op te wekken, die ten grondslag liggen aan de generatie van optische frequentiekammen.

De methode maakt gebruik van in de handel verkrijgbare op chips gebaseerde indiumfosfidelasers in tegenstelling tot conventionele bulklasermodules. In het gerapporteerde werk een klein deel van het laserlicht wordt teruggekaatst naar de laser als gevolg van intrinsieke verstrooiing van de microresonator. Deze directe feedback helpt om zowel de laser te stabiliseren als de solitonkam te genereren. Dit toont aan dat zowel de resonator als de laser op een enkele chip kunnen worden geïntegreerd, wat een unieke verbetering biedt ten opzichte van eerdere technologie.

"Er is een aanzienlijke interesse in bronnen met optische frequentiekam die elektrisch worden aangedreven en volledig fotonisch kunnen worden geïntegreerd om te voldoen aan de eisen van toepassingen van de volgende generatie, met name LIDAR en informatieverwerking in datacenters, ", zegt Kippenberg. "Dit vertegenwoordigt niet alleen een technologische vooruitgang op het gebied van dissipatieve Kerr-solitonen, maar geeft ook inzicht in hun niet-lineaire dynamiek, samen met snelle feedback van de holte."

Het hele systeem past in een volume van minder dan 1 cm3 en is elektrisch aan te sturen. "De compactheid, eenvoudige afstemmingsmethode, lage kosten en lage herhalingssnelheid maken dit microkamsysteem interessant voor massaproductietoepassingen, " zegt promovendus Arslan Sajid, de hoofdauteur van de studie. "Het belangrijkste voordeel is snelle optische feedback, wat de noodzaak voor actieve elektronische of andere on-chip tuning-mechanismen elimineert."

De wetenschappers willen nu een geïntegreerde spectrometer en multi-golflengtebron demonstreren en het fabricageproces en de integratiemethode verder verbeteren om de microkambron met een microgolfherhalingssnelheid te duwen.