Onderzoekers van Stanford hebben een nieuw type frequentiekam onthuld, een uiterst nauwkeurig meetapparaat dat innovatief klein, ultra-energie-efficiënt en uitzonderlijk nauwkeurig is. Met voortdurende ontwikkeling kan deze baanbrekende 'microcomb', die gedetailleerd wordt beschreven in een onderzoek dat op 7 maart in Nature werd gepubliceerd, — zou de basis kunnen zijn voor de acceptatie op de massamarkt van de apparaten in de dagelijkse elektronica.

Frequentiekammen zijn gespecialiseerde lasers die gelijkmatig verdeelde lichtlijnen genereren, vergelijkbaar met de tanden van een kam of, beter gezegd, de maatstreepjes op een liniaal. In de ongeveer kwart eeuw van hun ontwikkeling hebben deze ‘heersers van het licht’ een revolutie teweeggebracht in vele soorten uiterst nauwkeurige metingen, van tijdregistratie tot moleculaire detectie via spectroscopie. Maar omdat frequentiekammen omvangrijke, kostbare en energieverslindende apparatuur vereisen, is de inzet ervan grotendeels beperkt gebleven tot laboratoriumomgevingen.

De onderzoekers ontdekten een oplossing voor deze problemen door twee verschillende benaderingen voor het miniaturiseren van frequentiekammen te integreren in één eenvoudig, gemakkelijk te produceren platform in microchipstijl. Tot de vele toepassingen die de onderzoekers voor ogen hebben voor hun veelzijdige technologie behoren krachtige draagbare medische diagnostische apparaten en wijdverbreide sensoren voor het monitoren van broeikasgassen.

"De structuur van onze frequentiekam brengt de beste elementen van de opkomende microcomb-technologie samen in één apparaat", zegt Hubert Stokowski, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Amir Safavi-Naeini, en hoofdauteur van het onderzoek. "We kunnen onze nieuwe frequentie-microcomb mogelijk opschalen voor compacte, energiezuinige en goedkope apparaten die vrijwel overal kunnen worden ingezet."

"We zijn erg enthousiast over deze nieuwe microcomb-technologie die we hebben gedemonstreerd voor nieuwe soorten precisiesensoren die zowel klein als efficiënt genoeg zijn om ooit in iemands telefoon te zitten", zegt Safavi-Naeini, universitair hoofddocent bij de afdeling Technische Natuurkunde. aan Stanford's School of Humanities and Sciences en senior auteur van de studie.

Ruzielicht

Dit nieuwe apparaat wordt een Integrated Frequency-Modulated Optical Parametric Oscillator of FM-OPO genoemd.

De complexe naam van het hulpmiddel geeft aan dat het twee strategieën combineert voor het creëren van het bereik van verschillende frequenties, of kleuren van licht, die een frequentiekam vormen. Eén strategie, optische parametrische oscillatie genoemd, omvat het stuiteren van laserlichtbundels in een kristalmedium, waarbij het gegenereerde licht zichzelf organiseert in pulsen van coherente, stabiele golven.

De tweede strategie concentreert zich op het sturen van laserlicht naar een holte en het moduleren van de fase van het licht – bereikt door radiofrequentiesignalen op het apparaat toe te passen – om uiteindelijk frequentieherhalingen te produceren die op dezelfde manier als lichtpulsen werken.

Deze twee strategieën voor microcombs zijn niet op grote schaal gebruikt omdat beide nadelen met zich meebrengen. Deze problemen omvatten energie-inefficiëntie, beperkt vermogen om optische parameters aan te passen, en suboptimale "optische bandbreedte" van de kam, waarbij de kamachtige lijnen vervagen naarmate de afstand vanaf het midden van de kam groter wordt.

De onderzoekers benaderden de uitdaging opnieuw door hun werk aan een veelbelovend platform voor optische circuits, gebaseerd op een materiaal genaamd dunne film lithiumniobaat. Het materiaal heeft gunstige eigenschappen vergeleken met silicium, het standaardmateriaal in de industrie. Twee van deze nuttige eigenschappen zijn 'niet-lineariteit' (het zorgt ervoor dat lichtstralen van verschillende kleuren met elkaar kunnen interageren om nieuwe kleuren of golflengten te genereren) en er kan een breed scala aan lichtgolflengten doorheen gaan.

De onderzoekers vormden de componenten die de kern vormen van de nieuwe frequentiekam met behulp van geïntegreerde lithiumniobaat-fotonica. Deze lichtmanipulerende technologieën bouwen voort op de vooruitgang op het verwante, meer gevestigde gebied van siliciumfotonica, waarbij optische en elektronische geïntegreerde schakelingen op siliciummicrochips worden gefabriceerd. Op deze manier hebben lithiumniobaat- en siliciumfotonica zich beide uitgebreid op de halfgeleiders in conventionele computerchips, waarvan de wortels teruggaan tot de jaren vijftig.

"Lithiumniobaat heeft bepaalde eigenschappen die silicium niet heeft, en zonder dit materiaal hadden we ons microkamapparaat niet kunnen maken", zegt Safavi-Naeini.

Verrassend uitstekende prestaties

Vervolgens brachten de onderzoekers elementen van zowel optische parametrische versterking als fasemodulatiestrategieën samen. Het team verwachtte bepaalde prestatiekenmerken van het nieuwe frequentiekamsysteem op lithiumniobaatchips, maar wat ze zagen bleek veel beter dan ze hadden verwacht.

Over het geheel genomen produceerde de kam een ​​continue output in plaats van lichtpulsen, waardoor de onderzoekers het vereiste ingangsvermogen met ongeveer een orde van grootte konden verminderen. Het apparaat leverde ook een handig "platte" kam op, wat betekent dat de kamlijnen verder in golflengte van het midden van het spectrum niet in intensiteit vervaagden, waardoor een grotere nauwkeurigheid en bredere bruikbaarheid in meettoepassingen werd geboden.

"We waren echt verrast door deze kam", zei Safavi-Naeini. "Hoewel we enige intuïtie hadden dat we kamachtig gedrag zouden krijgen, probeerden we niet echt precies dit type kam te maken, en het kostte ons een paar maanden om de simulaties en theorie te ontwikkelen die de belangrijkste eigenschappen ervan verklaarden."

Voor meer inzicht in hun uitstekend presterende apparaat wendden de onderzoekers zich tot Martin Fejer, de J.G. Jackson en C.J. Wood hoogleraar natuurkunde en een professor in de toegepaste natuurkunde aan Stanford. Samen met andere collega's aan Stanford heeft Fejer bijgedragen aan de vooruitgang van moderne dunne-film-lithiumniobaat-fotonicatechnologieën en aan het begrip van de kristaleigenschappen van het materiaal.

Fejer, die ook co-auteur is van het onderzoek, legde het belangrijkste verband tussen de fysische principes die ten grondslag liggen aan de microkam en ideeën die in de wetenschappelijke literatuur uit de jaren zeventig werden besproken, met name concepten die werden ontwikkeld door Stephen Harris, emeritus hoogleraar toegepaste natuurkunde en elektrotechniek aan Stanford.

De nieuwe microcombs zouden, mits verder verfijnd, gemakkelijk kunnen worden vervaardigd in conventionele microchipgieterijen met veel praktische toepassingen zoals detectie, spectroscopie, medische diagnostiek, glasvezelcommunicatie en draagbare apparaten voor gezondheidsmonitoring.

"Onze microcomb-chip kan overal in worden gestopt, waarbij de grootte van het totale apparaat afhangt van de grootte van de batterij", aldus Stokowski. "De technologie die we hebben gedemonstreerd zou in een persoonlijk apparaat met een laag vermogen kunnen worden geplaatst, zo groot als een telefoon of zelfs kleiner, en allerlei nuttige doeleinden kunnen dienen."

Meer informatie: Amir Safavi-Naeini, geïntegreerde frequentiegemoduleerde optische parametrische oscillator, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07071-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07071-2

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Stanford University