Lasers spelen een cruciale rol in alles, van moderne communicatie en connectiviteit tot biogeneeskunde en productie. Veel toepassingen, echter, lasers nodig hebben die meerdere frequenties (lichtkleuren) tegelijk kunnen uitzenden, elk precies gescheiden als de tand op een kam.

Optische frequentiekammen worden gebruikt voor omgevingsmonitoring om de aanwezigheid van moleculen te detecteren, zoals toxines; in de astronomie voor het zoeken naar exoplaneten; in precisie metrologie en timing. Echter, ze zijn omvangrijk en duur gebleven, die hun toepassingen beperkten. Dus, onderzoekers zijn begonnen te onderzoeken hoe deze lichtbronnen kunnen worden geminiaturiseerd en op een chip kunnen worden geïntegreerd om een ​​breder scala aan toepassingen aan te pakken, inclusief telecommunicatie, microgolfsynthese en optisch bereik. Maar tot nu toe, on-chip frequentiekammen hebben geworsteld met efficiëntie, stabiliteit en beheersbaarheid.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en Stanford University hebben een geïntegreerde, on-chip frequentiekam die efficiënt is, stabiel en goed controleerbaar met microgolven.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur .

"Bij optische communicatie als u meer informatie wilt sturen via een kleine, glasvezelkabel, je moet verschillende kleuren licht hebben die onafhankelijk van elkaar kunnen worden geregeld, " zei Marko Loncar, de Tiantsai Lin Professor of Electrical Engineering aan SEAS en een van de senior auteurs van de studie. "Dat betekent dat je ofwel honderd afzonderlijke lasers of één frequentiekam nodig hebt. We hebben een frequentiekam ontwikkeld die een elegante, energiezuinige en geïntegreerde manier om dit probleem op te lossen."

Loncar en zijn team ontwikkelden de frequentiekam met lithiumniobiet, een materiaal dat bekend staat om zijn elektro-optische eigenschappen, wat betekent dat het elektronische signalen efficiënt kan omzetten in optische signalen. Dankzij de sterke elektro-optische eigenschappen van lithiumniobiet, de frequentiekam van het team omspant de volledige telecommunicatiebandbreedte en heeft de afstembaarheid drastisch verbeterd.

"Vorige on-chip frequentiekammen gaven ons slechts één afstemknop, " zei mede-eerste auteur Mian Zhang, nu CEO van HyperLight en voorheen een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS. "Het is net een tv waarbij de kanaalknop en de volumeknop hetzelfde zijn. Als je van kanaal wilt veranderen, uiteindelijk verander je ook het volume. Met behulp van het elektro-optische effect van lithiumniobaat, we hebben deze functionaliteiten effectief gescheiden en hebben er nu onafhankelijke controle over."

Dit werd bereikt met behulp van microgolfsignalen, waardoor de eigenschappen van de kam, inclusief de bandbreedte, de afstand tussen de tanden, de hoogte van lijnen en welke frequenties aan en uit zijn - onafhankelijk van elkaar af te stemmen.

"Nutsvoorzieningen, we kunnen de eigenschappen van de kam vrij eenvoudig regelen met microgolven, "zei Loncar. "Het is een ander belangrijk hulpmiddel in de optische gereedschapskist."

"Deze compacte frequentiekammen zijn vooral veelbelovend als lichtbronnen voor optische communicatie in datacenters, " zei Joseph Kahn, Professor of Electrical Engineering aan Stanford en de andere senior auteur van de studie. "In een datacenter - letterlijk een gebouw ter grootte van een magazijn met duizenden computers - vormen optische verbindingen een netwerk dat alle computers met elkaar verbindt, zodat ze kunnen samenwerken aan enorme computertaken. Een frequentiekam, door veel verschillende kleuren licht te geven, kunnen veel computers met elkaar verbinden en enorme hoeveelheden gegevens uitwisselen, voldoen aan de toekomstige behoeften van datacenters en cloud computing.

Het Harvard Office of Technology Development heeft de intellectuele eigendom met betrekking tot dit project beschermd. Het onderzoek werd ook ondersteund door OTD's Physical Sciences &Engineering Accelerator, die voorziet in translationele financiering voor onderzoeksprojecten die potentieel voor aanzienlijke commerciële impact laten zien.