Team viser, at små frekvenskamme er pålidelige måleværktøjer

I et fremskridt, der kunne krympe mange måleteknologier, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og partnere har demonstreret de første miniaturiserede enheder, der kan generere ønskede frekvenser, eller farver, lys præcis nok til at spores til en international målestandard.

Forskerne kombinerede et par frekvenskamme, en afstembar mini-laser og elektronik til at oprette en optisk frekvenssynthesizer. Forskuddet overfører evnen til at programmere optiske frekvenser fra bordpladeinstrumenter til tre siliciumchips, samtidig med at den bevarer høj nøjagtighed og præcision.

Ligesom radio- og mikrobølgechips drev elektronikrevolutionen, miniaturiseringen af ​​optiske frekvenssynthesizere for at gøre dem bærbare og velegnede til fremstilling af store mængder bør øge felter såsom tidtagning, kommunikation, sporgasovervågning og astronomi.

Prototypen synthesizer er beskrevet i tidsskriftet Natur , i et papir, der blev lagt på nettet 25. april. Frekvenskamme er en nobel-æret teknologi udviklet ved NIST, der er afgørende for de seneste eksperimentelle atomure.

"Ingen vidste, hvordan man lavede en optisk frekvenssynthesizer ved hjælp af små chips, "NIST -medforfatter Scott Papp sagde." Dette er det første gennembrud for at vise, at du kan dette. Indtil nu, ingen har nogensinde brugt en chip-skala frekvenskam til at lave metrologi, der fuldt ud kan spores til en international standard. "

Projektet blev ledet af NIST -fysikere i Boulder, Colorado, med en kamchip fremstillet ved California Institute of Technology (Caltech i Pasadena, Californien) og den anden kamchip fremstillet på NIST's Center for Nanoscale Science and Technology (i Gaithersburg, Maryland.). University of California i Santa Barbara udviklede en programmerbar halvlederlaserchip.

Hver af de tre chips er cirka 5 millimeter med 10 millimeter. Med yderligere fremskridt inden for materialer og fremstilling, chipsene vil sandsynligvis blive pakket sammen af ​​en af ​​NIST's partnerinstitutioner, Sagde Papp.

I en bordfrekvenskam i fuld størrelse-typisk samlet i hånden af ​​metal- og glaskomponenter-cirkulerer laserlys inde i et optisk hulrum, et specialiseret sæt spejle, at producere et sæt linjer med lige store mellemrum, der ligner en hårkam, hvor hver "tand" er en individuel farve. I de chipbaserede versioner, hulrummene er flade, runde racerbaner, der er fremstillet på silicium ved hjælp af automatiserede teknikker, der ligner dem, der bruges til fremstilling af computerchips.

Den nye optiske synthesizer bruger kun 250 milliwatt (tusindedele af watt) on-chip optisk strøm-meget mindre end en klassiker, frekvenskam i fuld størrelse.

Synthesizer -output er den programmerbare laser, hvis lysbølgesvingninger fungerer som optiske urmærker, der kan spores til SI -sekundet, den internationale tidsstandard baseret på cesiumatomets mikrobølgevibrationer. Outputlaseren styres af de to frekvenskamme, som giver synkroniserede forbindelser mellem mikrobølge- og optiske frekvenser.

Hver kam er skabt af lys udsendt af en separat, enfarvet "pumpe" laser. NIST -kam er 40 mikrometer (milliontedele af en meter) i diameter. Denne kam har stor afstand mellem tænderne, men kan kalibrere sig selv ved at spænde over en oktav - som, som i musik, refererer til intervallet mellem to toner, der er halv eller to gange frekvensen af ​​hinanden. Denne funktion kalibrerer synthesizeren.

Væddeløbsbanen er en brugerdefineret bølgeleder lavet af siliciumnitrid, som tilbyder særlige egenskaber, der udvider lysspektret, koncentrer lyset i et lille område for at øge intensiteten, kan indstilles gennem ændringer i geometri, og kan laves som computerchips ved hjælp af litografiske teknikker.

Caltech -kammen er fysisk større, cirka 100 gange bredere og lavet af smeltet silica. Men denne kams tænder er meget finere og spænder over et meget smallere bølgelængdeområde-i 1550-nanometerbåndet, der bruges til telekommunikation, fokus på synthesizer -demonstrationen. Afstanden mellem tænderne er en mikrobølge frekvens, der kan måles og kontrolleres i forhold til SI sekund. Gennem en digital matematisk konverteringsproces, denne fintandet kam identificerer stabil, nøjagtige optiske frekvenser inden for den bredere afstand mellem den kalibrerede NIST -kam.

Dermed, de to kamme fungerer som en frekvensmultiplikator til at konvertere urets flåter fra mikrobølgeovnen til det optiske domæne, samtidig med at nøjagtigheden og stabiliteten bevares.

Forskergruppen demonstrerede systemet ved at syntetisere en række optiske frekvenser i telekommunikationsbåndet og karakterisere ydelsen med en separat frekvenskam afledt af det samme ur. Forskere demonstrerede systemarkitekturen, verificeret nøjagtigheden af ​​frekvenssyntesen, og bekræftede, at synthesizeren tilbød stabil synkronisering mellem uret og kamudgangen.