Frequentiekammen worden een van de belangrijkste technologieën van de 21e eeuw. Zeer nauwkeurige atoomklokken, en zeer nauwkeurige spectroscopie zijn slechts twee technologieën die hebben geprofiteerd van de ontwikkeling van zeer nauwkeurige frequentiekammen. Echter, de originele frequentiekambronnen vereisten een kamer vol apparatuur. En het blijkt dat als je suggereert dat een kamer vol delicate apparatuur perfect is voor een commerciële toepassing, de ontwikkelingsingenieur rent naar de dichtstbijzijnde uitgang.

Deze nadelen zouden worden opgelost door op chips gebaseerde apparaten te maken die in feite robuust genoeg zijn om de ontberingen van het dagelijks gebruik te weerstaan. Om dat te doen, wetenschappers moeten materiaaleigenschappen in evenwicht brengen met het gedrag van licht in een golfgeleider. Deze balans is gemakkelijker te engineeren in glas, terwijl voor toepassingen en integratie met bestaande apparaten, het zou beter zijn om silicium te gebruiken.

Het is moeilijk om zeer brede frequentiekammen te maken van silicium golfgeleiders, maar slimme golfgeleidertechniek kan die taak misschien een beetje gemakkelijker maken. Zhang en collega's, melden in Geavanceerde fotonica , hebben een manier laten zien om een ​​golfgeleider met gegradeerde index te maken waarmee de breedte van een frequentiekam meer dan verdubbeld kan worden (vergeleken met een normale golfgeleider).

Peak uitlijning voor een bredere kam?

Een frequentiekam is een lichtspectrum dat bestaat uit vele zeer scherp gedefinieerde frequenties die op gelijke afstand van elkaar liggen. Een vermogensspectrum lijkt eerder op een kam, Vandaar de naam.

Frequentiekamgeneratie is een delicaat evenwicht tussen de materiaaleigenschappen waarmee licht nieuwe kleuren licht kan genereren (aangeduid als de optische niet-lineariteit), de configuratie van het pad dat het licht volgt (de optische resonator), en de dispersie (hoe de lichtsnelheid varieert met de golflengte in het materiaal). Het laatste artikel, spreiding, is meestal de moordenaar, en dit is waar het werk van Zhang en collega's zich op richt. Om een ​​zeer brede frequentiekam te genereren, de kleuren waaruit de kam bestaat, moeten allemaal in fase blijven met elkaar. Concreet gezegd:als twee golven op één punt hun pieken op één lijn hebben, dan op een bepaald punt verder in ruimte en tijd, die pieken moeten nog steeds op één lijn liggen. Maar, gewoonlijk, dit gebeurt nooit, en de toppen glijden langs elkaar heen, voorkomen dat er nieuwe frequenties worden gegenereerd.

Engineering aan de redding

Om de materiaalverspreiding te compenseren, onderzoekers wenden zich vaak tot waveguide-engineering. Omdat golfgeleiders van materialen zijn gemaakt, ze hebben verspreiding, en de opsluiting van de golfgeleider zelf introduceert een ander type dispersie. Deze spreiding is afhankelijk van de vorm van de golfgeleider, de dimensies, evenals de materialen die worden gebruikt. Hierdoor kunnen ingenieurs materiaalverspreiding tegengaan door hun golfgeleiderontwerp.

Maar, dit is zwaar werk in silicium. De siliciumkern heeft een grote brekingsindex in vergelijking met de glazen bekleding. Het grote verschil tussen de twee zorgt voor een sterke dispersie die de materiaaldispersie overcompenseert.

Het inzicht van Zhang en collega's is dat het grensvlak tussen de glasbekleding en de siliciumkern niet scherp hoeft te zijn. Ze hebben een golfgeleider ontworpen met een kern van silicium met een visgraatstructuur die naar buiten in de glasbekleding loopt. De effectieve brekingsindex in het gemengde gebied is het gemiddelde van glas en silicium, die geleidelijk overgaat van silicium naar glas:een golfgeleider met graduele index.

In de gesorteerde index, rode kleuren spreiden zich uit om een ​​groter gebied van de golfgeleider te bezetten, terwijl blauwere kleuren strakker zijn opgesloten. Het netto-effect is dat de verschillende golflengten zich gedragen alsof ze in golfgeleiders met verschillende breedtes reizen, terwijl ze eigenlijk samen in dezelfde golfgeleider reizen. De onderzoekers noemen dit effect een zelfadaptieve grens. Ze onderzochten verschillende configuraties voor de visgraatstructuur. Elke configuratie vergroot het golflengtebereik waarover de dispersie klein was.

Om te bevestigen dat hun gegradeerde indexgolfgeleiders zouden resulteren in betere frequentiekammen, het team modelleerde frequentiekamgeneratie in standaard en gegradeerde indexgolfgeleiders. Ze toonden aan dat het frequentiespectrum werd uitgebreid van ongeveer 20 THz tot ongeveer 44 THz.

Doe het licht aan

Tot nu toe hebben de onderzoekers alleen hun structuren berekend en gemodelleerd. Echter, de voorgestelde structuren zijn allemaal gekozen met fabricage in het achterhoofd, dus als ze eenmaal hun konijnenpakjes hebben, testapparaten moeten onderweg zijn. Dan kunnen siliconen frequentiekammen echt hun ding doen. Een goed voorbeeld:silicium is transparant over een breed bereik van het infrarood, wat ook het golflengtebereik is dat nodig is voor spectroscopische identificatie van moleculen. Een op chips gebaseerde frequentiekam maakt compacte spectrometers met hoge precisie en hoge gevoeligheid mogelijk.