Вчені розробили новий тип частотних комбінацій

Дослідники зі Стенфордського університету представили новий тип частотної гребінки, високоточний вимірювальний пристрій, який є інноваційно маленьким, ультраенергоефективним і винятково точним. З продовженням розвитку ця революційна «мікрогребінка», яка детально описана в дослідженні, опублікованому в Nature, може стати основою для масового впровадження пристроїв у повсякденній електроніці.

Частотні гребінці — це спеціальні лазери, які генерують рівномірно розподілені лінії світла, схожі на зубці гребінця або, точніше, галочки на лінійці. Приблизно за чверть століття свого розвитку ці «лінійки світла» зробили революцію у багатьох видах високоточних вимірювань, від хронометражу до молекулярного виявлення за допомогою спектроскопії. Проте, оскільки частотні гребінки вимагають громіздкого, дорогого та енергоємного обладнання, їх розгортання в основному обмежується лабораторними умовами.

Дослідники знайшли обхідний шлях для розв’язання цих проблем, об’єднавши два різні підходи для мініатюризації частотних гребінок в одну просту, легко виробну платформу у стилі мікрочіпа. Серед багатьох застосувань, які дослідники передбачають для своєї універсальної технології, є потужні портативні медичні діагностичні пристрої та широко поширені датчики моніторингу парникових газів.

«Структура нашої частотної гребінки об’єднує найкращі елементи нової технології мікрогребінців в один пристрій», — сказав Губерт Стоковський, докторант лабораторії Аміра Сафаві-Наїні та провідний автор дослідження. «Ми потенційно можемо масштабувати нашу нову частотну мікрокомбінацію для компактних, малопотужних і недорогих пристроїв, які можна розгорнути практично скрізь».

«Ми дуже раді цій новій технології мікрогребінців, яку ми продемонстрували для нових типів точних датчиків, які є водночас малими та достатньо ефективними, щоб колись бути в чийомусь телефоні», — сказав Сафаві-Наїні, доцент кафедри прикладної фізики. у Стенфордській школі гуманітарних наук і наук і старший автор дослідження.

Суперечливе світло

Цей новий пристрій називається інтегрованим частотно-модульованим оптичним параметричним осцилятором або FM-OPO.

Складна назва інструменту вказує на те, що він поєднує дві стратегії для створення діапазону різних частот або кольорів світла, які утворюють частотну гребінку. Одна стратегія, яка називається оптичним параметричним коливанням, передбачає відбивання променів лазерного світла в кристалічному середовищі, де згенероване світло організовується в імпульси когерентних, стабільних хвиль. Друга стратегія зосереджена на надсиланні лазерного світла в порожнину, а потім на модулюванні фази світла, що досягається шляхом застосування радіочастотних сигналів до пристрою, щоб у кінцевому підсумку створити частотні повторення, які аналогічно діють як світлові імпульси.

Ці дві стратегії для мікрогребінців не використовувалися широко, оскільки обидві мають недоліки. Ці проблеми включають енергоефективність, обмежену можливість регулювати оптичні параметри та неоптимальну «оптичну смугу пропускання» гребінця, коли гребінчасті лінії бліднуть із збільшенням відстані від центру гребінця.

Дослідники підійшли до цього завдання по-новому через свою роботу над багатообіцяючою платформою оптичних схем на основі матеріалу під назвою тонкоплівковий ніобат літію. Цей матеріал має переваги порівняно з силіконом, промисловим стандартним матеріалом. Двома з цих корисних властивостей є «нелінійність» (вона дозволяє променям світла різних кольорів взаємодіяти один з одним, створюючи нові кольори або довжини хвилі), і широкий діапазон довжин світлових хвиль може проходити через нього.

Дослідники створили компоненти, які є основою нової частотної гребінки, використовуючи інтегровану фотоніку ніобату літію. Ці технології маніпулювання світлом базуються на досягненнях у спорідненій, більш усталеній галузі кремнієвої фотоніки, яка передбачає виготовлення оптичних та електронних інтегральних схем на кремнієвих мікросхемах. Таким чином ніобат літію та кремнієва фотоніка розширили напівпровідники у звичайних комп’ютерних чіпах, коріння яких сягають корінням у 1950-ті роки.

«Ніобат літію має певні властивості, яких немає у кремнію, і ми не змогли б створити наш мікрогребінець без нього», — сказав Сафаві-Наїні.

Напрочуд чудова продуктивність

Далі дослідники об’єднали елементи оптичного параметричного підсилення та стратегії фазової модуляції. Команда очікувала певних характеристик продуктивності від нової системи частотної гребінки на мікросхемах ніобату літію, але те, що вони побачили, виявилося набагато кращим, ніж вони очікували.

Загалом гребінець створював безперервний вихід, а не світлові імпульси, що дозволило дослідникам зменшити необхідну вхідну потужність приблизно на порядок. Пристрій також отримав зручну «плоску» гребінку, що означає, що лінії гребінки, розташовані далі за довжиною хвилі від центру спектру, не згасають в інтенсивності, що забезпечує більшу точність і ширше застосування в вимірювальних програмах.

«Ми були справді здивовані цим гребінцем», — сказала Сафаві-Наїні. «Хоча у нас була деяка інтуїція, що ми отримаємо поведінку, подібну до гребінця, ми насправді не намагалися створити саме такий тип гребінця, і нам знадобилося кілька місяців, щоб розробити моделювання та теорію, яка пояснює його основні властивості».

Для подальшого розуміння їх надпродуктивного пристрою дослідники звернулися до Мартіна Феєра, професора фізики Дж. Г. Джексона та К. Дж. Вуда та професора прикладної фізики Стенфордського університету. Разом з іншими колегами зі Стенфордського університету Фейер допоміг розвинути сучасні фотонічні технології тонкоплівкового ніобату літію та розуміння кристалічних властивостей матеріалу.

Феєр, який також є співавтором дослідження, встановив ключовий зв’язок між фізичними принципами, що лежать в основі мікрогребінця, та ідеями, які обговорювалися в науковій літературі 1970-х років, зокрема концепціями, вперше запропонованими Стівеном Харрісом, почесним професором прикладної фізики та електротехніки Стенфордського університету.

Нові мікрогребінці з подальшим відточуванням повинні бути легко виготовлені на звичайних ливарних заводах з мікрочіпами з багатьма практичними застосуваннями, такими як зондування, спектроскопія, медична діагностика, волоконно-оптичний зв’язок і переносні пристрої для моніторингу здоров’я.

«Наш чіп мікрогребінця можна вставити в будь-що, причому розмір усього пристрою залежить від розміру батареї», — сказав Стоковський. «Продемонстрована нами технологія може використовуватися в малопотужному персональному пристрої, розміром з телефон або навіть менше, і служити для різноманітних корисних цілей».