On-chip, elektronisk afstembar frekvenskam

Lasere spiller en afgørende rolle i alt fra moderne kommunikation og tilslutning til biomedicin og fremstilling. Mange applikationer, imidlertid, kræver lasere, der kan udsende flere frekvenser - lysfarver - samtidigt, hver præcist adskilt som tanden på en kam.

Optiske frekvenskamme bruges til miljøovervågning for at detektere tilstedeværelsen af ​​molekyler, såsom toksiner; i astronomi til at søge efter exoplaneter; i præcisionsmetrologi og timing. Imidlertid, de er forblevet omfangsrige og dyre, hvilket begrænsede deres applikationer. Så, forskere er begyndt at undersøge, hvordan man miniaturiserer disse lyskilder og integrerer dem på en chip for at adressere en bredere vifte af applikationer, herunder telekommunikation, mikrobølgesyntese og optisk rækkevidde. Men indtil videre, on-chip frekvenskamme har kæmpet med effektivitet, stabilitet og kontrollerbarhed.

Nu, forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og Stanford University har udviklet en integreret, on-chip frekvenskam, der er effektiv, stabil og meget kontrollerbar med mikrobølger.

Forskningen er publiceret i Natur .

"I optisk kommunikation, hvis du ønsker at sende mere information gennem en lille, fiberoptisk kabel, du skal have forskellige farver lys, der kan styres uafhængigt, " sagde Marko Loncar, Tiantsai Lin professor i elektroteknik ved SEAS og en af ​​de ledende forfattere af undersøgelsen. "Det betyder, at du enten har brug for hundrede separate lasere eller en frekvenskam. Vi har udviklet en frekvenskam, der er en elegant, energieffektiv og integreret måde at løse dette problem på."

Loncar og hans team udviklede frekvenskammen ved hjælp af lithium niobite, et materiale, der er kendt for dets elektro-optiske egenskaber, hvilket betyder, at den effektivt kan konvertere elektroniske signaler til optiske signaler. Takket være de stærke elektro-optiske egenskaber af lithium niobite, holdets frekvenskam spænder over hele telekommunikationsbåndbredden og har dramatisk forbedret tunerbarhed.

"Tidligere on-chip frekvenskamme gav os kun én tuning-knap, " sagde co-first forfatter Mian Zhang, nu administrerende direktør for HyperLight og tidligere postdoc-forsker ved SEAS. "Det er ligesom et tv, hvor kanalknappen og lydstyrkeknappen er den samme. Hvis du vil skifte kanal, du ender også med at ændre lydstyrken. Ved at bruge den elektro-optiske effekt af lithiumniobat, vi adskilte disse funktioner effektivt og har nu uafhængig kontrol over dem."

Dette blev opnået ved hjælp af mikrobølgesignaler, tillader kammens egenskaber - inklusive båndbredden, afstanden mellem tænderne, højden af ​​linjer og hvilke frekvenser, der er tændt og slukket - skal indstilles uafhængigt.

"Nu, vi kan styre kammens egenskaber efter behag ganske enkelt med mikrobølger, " sagde Loncar. "Det er endnu et vigtigt værktøj i den optiske værktøjskasse."

"Disse kompakte frekvenskamme er særligt lovende som lyskilder til optisk kommunikation i datacentre, sagde Joseph Kahn, Professor i elektroteknik ved Stanford og den anden seniorforfatter af undersøgelsen. "I et datacenter - bogstaveligt talt en bygning på størrelse med et lager, der indeholder tusindvis af computere - danner optiske links et netværk, der forbinder alle computerne, så de kan arbejde sammen om massive computeropgaver. En frekvenskam, ved at give mange forskellige farver af lys, kan gøre det muligt for mange computere at blive forbundet og udveksle enorme mængder data, opfylder de fremtidige behov for datacentre og cloud computing.

Harvard Office of Technology Development har beskyttet den intellektuelle ejendomsret i forbindelse med dette projekt. Forskningen blev også støttet af OTD's Physical Sciences &Engineering Accelerator, som giver translationel finansiering til forskningsprojekter, der viser potentiale for betydelig kommerciel effekt.