On-chip laserfrequentiekammen - lasers die meerdere frequenties of kleuren licht tegelijk uitstralen, zoals de tand op een kam - zijn een veelbelovende technologie voor een reeks toepassingen, waaronder omgevingsmonitoring, optisch computergebruik, astronomie en metrologie. Frequentiekammen op de chip worden echter nog steeds beperkt door één serieus probleem:ze zijn niet altijd efficiënt. Er zijn verschillende manieren om het efficiëntieprobleem te verminderen, maar ze hebben allemaal te maken met compromissen. Kammen kunnen bijvoorbeeld een hoog rendement of een brede bandbreedte hebben, maar niet beide. Het onvermogen om een ​​on-chip laserfrequentiekam te ontwerpen die zowel efficiënt als breed is, heeft onderzoekers jarenlang belemmerd en de wijdverbreide commercialisering van deze apparaten belemmerd.

Nu heeft een team van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een elektro-optische frequentiekam ontwikkeld die 100 keer efficiënter is dan eerdere state-of-the-art versies, en meer dan twee keer hun bandbreedte.

"Ons apparaat maakt de weg vrij voor praktische optische frequentiekamgeneratoren en opent de deur voor nieuwe toepassingen, zei Marko Lončar, de Tiantsai Lin Professor of Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van de studie. "Het biedt ook een platform om nieuwe gebieden te onderzoeken van optische fysica."

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Photonics .

Deze vooruitgang bouwt voort op eerder onderzoek van Lončar en zijn team.

In 2019 demonstreerden Lončar en zijn lab de eerste stabiele, on-chip frequentiekam die kon worden bestuurd met microgolven. Deze zogenaamde elektro-optische frequentiekam, gebouwd op het lithiumniobaatplatform dat werd ontwikkeld door het laboratorium van Lončar, besloeg de volledige telecommunicatiebandbreedte, maar was beperkt in zijn efficiëntie. In 2021 ontwikkelde het team een ​​gekoppeld resonatorapparaat om de lichtstroom te regelen en gebruikte het om frequentieverschuivers op de chip te demonstreren - een apparaat dat de kleur van licht met bijna 100% efficiëntie kan veranderen.

Het laatste onderzoek past de twee concepten toe om de uitdaging aan te gaan in op resonator gebaseerde elektro-optische frequentiekammen:compromis tussen efficiëntie en bandbreedte.

"We hebben aangetoond dat we door deze twee benaderingen te combineren - de gekoppelde resonator met de elektro-optische frequentiekam - de efficiëntie aanzienlijk konden verbeteren zonder in te boeten aan bandbreedte. In feite hebben we de bandbreedte verbeterd", zegt Yaowen Hu, een onderzoeksassistent bij SEAS. en eerste auteur van het artikel.

"We ontdekten dat wanneer je de prestaties van de kambron tot dit niveau verbetert, het apparaat begint te werken in een geheel nieuw regime dat het proces van elektro-optische frequentiekamgeneratie combineert met de meer traditionele benadering van een Kerr-frequentiekam," zei Mengjie Yu, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en mede-eerste auteur van het artikel.

Yu is momenteel een assistent-professor aan de Universiteit van Zuid-Californië.

Deze nieuwe kam kan ultrasnelle femtoseconde-pulsen op hoog vermogen genereren. Samen met de hoge efficiëntie en breedband kan dit apparaat nuttig zijn voor toepassingen in de astronomie, optisch computergebruik, afstandsmeting en optische metrologie.

Het onderzoek was co-auteur van Brandon Buscaino, Neil Sinclair, Di Zhu, Rebecca Cheng, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Mian Zhang en Joseph M. Kahn. + Verder verkennen

On-chip, elektronisch afstembare frequentiekam