Toen we drie jaar geleden voor het laatst contact opnamen met Kerry Vahala van Caltech, had zijn laboratorium onlangs melding gemaakt van de ontwikkeling van een nieuw optisch apparaat, een kant-en-klare frequentiemicrocomb genaamd, die toepassingen heeft in digitale communicatie, nauwkeurige tijdwaarneming, spectroscopie en zelfs astronomie.

Dit apparaat, vervaardigd op een siliciumwafel, neemt ingangslaserlicht van één frequentie en zet het om in een gelijkmatig verdeelde reeks van vele verschillende frequenties die een trein van pulsen vormen waarvan de lengte zo kort kan zijn als 100 femtoseconden (quadriljoensten van een seconde). (De kam in de naam komt doordat de frequenties op een afstand van elkaar liggen, zoals de tanden van een haarkam.)

Nu hebben Vahala, Caltech's Ted en Ginger Jenkins hoogleraar informatiewetenschappen en technologie en toegepaste natuurkunde en uitvoerend functionaris voor toegepaste natuurkunde en materiaalkunde, samen met leden van zijn onderzoeksgroep en de groep van John Bowers aan de UC Santa Barbara, een doorbraak bereikt in de manier waarop de korte pulsen ontstaan ​​in een belangrijk nieuw materiaal dat ultra-low-loss siliciumnitride (ULL-nitride) wordt genoemd, een verbinding gevormd uit silicium en stikstof. Het siliciumnitride is extreem zuiver bereid en in een dunne film afgezet.

In principe zouden microkamapparaten met een korte puls, gemaakt van dit materiaal, een zeer laag vermogen nodig hebben om te kunnen werken. Helaas kunnen korte lichtpulsen (solitonen genoemd) in dit materiaal niet goed worden gegenereerd vanwege een eigenschap die dispersie wordt genoemd en die ervoor zorgt dat licht of andere elektromagnetische golven zich met verschillende snelheden voortbewegen, afhankelijk van hun frequentie. ULL heeft een zogenaamde normale spreiding, en dit verhindert dat golfgeleiders gemaakt van ULL-nitride de korte pulsen ondersteunen die nodig zijn voor microcomb-werking.

In een artikel dat verschijnt in Nature Photonics bespreken de onderzoekers hun ontwikkeling van de nieuwe microkam, die de inherente optische beperkingen van ULL-nitride overwint door pulsen in paren te genereren. Dit is een belangrijke ontwikkeling omdat ULL-nitride wordt gemaakt met dezelfde technologie die wordt gebruikt voor de productie van computerchips. Dit soort productietechniek betekent dat deze microcombs op een dag kunnen worden geïntegreerd in een grote verscheidenheid aan draagbare apparaten die qua vorm lijken op smartphones.

Het meest onderscheidende kenmerk van een gewone microkam is een kleine optische lus die een beetje op een klein racecircuit lijkt. Tijdens bedrijf vormen de solitonen zich automatisch en circuleren eromheen.

"Wanneer deze lus echter is gemaakt van ULL-nitride, destabiliseert de dispersie de solitonpulsen", zegt co-auteur Zhiquan Yuan, een afgestudeerde student in de toegepaste natuurkunde.

Stel je de lus voor als een racebaan met auto's. Als sommige auto's sneller rijden en andere langzamer, zullen ze zich verspreiden terwijl ze over de baan cirkelen in plaats van als een hechte groep te blijven. Op dezelfde manier betekent de normale verspreiding van ULL dat lichtpulsen zich verspreiden in de microkamgolfgeleiders, en dat de microkam niet meer werkt.

De door het team bedachte oplossing was om meerdere racebanen te creëren en deze aan elkaar te koppelen zodat ze een beetje op een acht lijken. In het midden van die '8' lopen de twee nummers evenwijdig aan elkaar, met slechts een klein gat ertussen.

Als we doorgaan met de analogie van het racecircuit, zou dit hetzelfde zijn als twee circuits die meteen één delen. Terwijl de auto's van elk circuit op dat gedeelde gedeelte samenkomen, komen ze zoiets als een file tegen. Net zoals twee rijstroken op een snelweg auto's dwingen te vertragen, dwingt het samengevoegde gedeelte van de twee microcombs de gepaarde laserpulsen om zich te bundelen. Deze opeenhoping gaat de neiging van de pulsen om zich te verspreiden tegen en zorgt ervoor dat de microkammen goed kunnen werken.

"In feite gaat dit de normale spreiding tegen en geeft het totale samengestelde systeem het equivalent van een abnormale spreiding", zegt afgestudeerde student en co-auteur Maodong Gao.

Het idee wordt uitgebreid als je nog meer racebanen toevoegt, en het team heeft laten zien hoe drie racebanen ook zullen werken door twee sets pulsparen te creëren. Vahala gelooft dat het fenomeen zelfs met veel gekoppelde racebanen (microcombs) zal blijven werken, en daarmee een manier zal bieden om grote fotonische circuitarrays voor de solitonpulsen te creëren.

Zoals hierboven opgemerkt, worden deze ULL-microcombs vervaardigd met dezelfde apparatuur die wordt gebruikt om computerchips te maken op basis van complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (CMOS). Bowers, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek, werkte mee aan het onderzoek en merkt op dat “de schaalbaarheid van het CMOS-proces betekent dat het nu eenvoudiger en economischer zal zijn om de kortepulsmicrocomben te vervaardigen en deze in bestaande technologieën en toepassingen te integreren. ."

Over deze toepassingen zegt Vahala:"Een kam is als een Zwitsers zakmes voor optica. Hij heeft veel verschillende functies en daarom is het zo'n krachtig hulpmiddel."

Het artikel waarin het onderzoek wordt beschreven, "Soliton pulse pairs at multiple colour in normal dispersion microresonators", verschijnt in het novembernummer van Nature Photonics. .

Meer informatie: Zhiquan Yuan et al, Soliton-pulsparen bij meerdere kleuren in microresonatoren met normale dispersie, Natuurfotonica (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01257-2

Journaalinformatie: Natuurfotonica

Aangeboden door California Institute of Technology