Siliciumkerne fiskebensbølgeleder forlænger frekvenskam

Frekvenskamme er ved at blive en af ​​de store muliggørende teknologier i det 21. århundrede. Atomure med høj præcision, og højpræcisionsspektroskopi er blot to teknologier, der har nydt godt af udviklingen af ​​meget præcise frekvenskamme. Imidlertid, de originale frekvenskamkilder krævede et rum fyldt med udstyr. Og det viser sig, at hvis du foreslår, at et rum fyldt med delikat udstyr er perfekt til en kommerciel anvendelse, udviklingsingeniøren laver en flueben for den nærmeste udgang.

Disse ulemper ville blive løst ved at lave chip-baserede enheder, der faktisk er robuste nok til at modstå belastningen ved daglig brug. At gøre det, videnskabsmænd skal balancere materialeegenskaber med lysets opførsel i en bølgeleder. Denne balance er lettere at konstruere i glas, mens til applikationer og integration med eksisterende enheder, det ville være bedre at bruge silicium.

Det er svært at lave meget brede frekvenskamme af siliciumbølgeledere, men smart bølgelederteknik er måske ved at gøre opgaven en smule lettere. Zhang og kolleger, melder ind Avanceret fotonik , har vist en måde at lave en gradueret indeksbølgeleder, der tillader bredden af ​​en frekvenskam at blive mere end fordoblet (sammenlignet med en normal bølgeleder).

Peak justering for en bredere kam?

En frekvenskam er et lysspektrum, der består af mange meget skarpt definerede frekvenser, der er lige fordelt. Et effektspektrum ligner lidt en kam, deraf navnet.

Frekvenskamgenerering er en delikat balance mellem de materialeegenskaber, der tillader lys at generere nye lysfarver (benævnt den optiske ikke-linearitet), konfigurationen af ​​den vej, lyset følger (den optiske resonator), og spredningen (hvordan lysets hastighed varierer med bølgelængden i materialet). Det sidste punkt, spredning, er normalt morderen, og det er her Zhangs og kollegers arbejde fokuserer. For at generere en meget bred frekvenskam, farverne, der udgør kammen, skal alle forblive i fase med hinanden. Sagt konkret:hvis to bølger på et tidspunkt har deres toppe på linje, så på et tidspunkt længere fremme i rum og tid, disse toppe burde stadig være på linje. Men, normalt, dette sker aldrig, og toppene glider forbi hinanden, forhindre nye frekvenser i at blive genereret.

Engineering til undsætning

For at kompensere for materialespredningen, forskere henvender sig ofte til bølgelederteknik. Da bølgeledere er lavet af materialer, de har spredning, og indespærringen af ​​selve bølgelederen introducerer en anden type dispersion. Denne spredning afhænger af bølgelederens form, dimensionerne, samt de materialer, der bruges. Dette giver ingeniører mulighed for at modvirke materialespredning gennem deres bølgelederdesign.

Men, dette er hårdt arbejde i silicium. Siliciumkernen har et stort brydningsindeks sammenlignet med glasbeklædningen. Den store forskel mellem de to skaber en stærk spredning, der overkompenserer for materialespredningen.

Zhang og kollegers indsigt er, at grænsefladen mellem glasbeklædningen og siliciumkernen ikke behøver at være skarp. De har designet en bølgeleder, der har en siliciumkerne med en fiskebensstruktur, der strækker sig udad i glasbeklædningen. Det effektive brydningsindeks i det blandede område er gennemsnittet af glas og silicium, som gradvist går over fra silicium til glas:en gradueret indeksbølgeleder.

I det graderede indeks, røde farver spredt ud for at optage et bredere område af bølgelederen, mens blå farver er mere tætte. Nettoeffekten er, at de forskellige bølgelængder opfører sig, som om de bevæger sig i bølgeledere med forskellig bredde, mens de faktisk rejser sammen i den samme bølgeleder. Forskerne omtaler denne effekt som en selvadaptiv grænse. De udforskede forskellige konfigurationer for fiskebensstrukturen. Hver konfiguration øgede bølgelængdeområdet, over hvilket spredningen var lille.

For at bekræfte, at deres graderede indeksbølgeledere ville resultere i bedre frekvenskamme, holdet modellerede frekvenskamgenerering i standard- og graderede indeksbølgeledere. De viste, at frekvensspektret blev udvidet fra omkring 20 THz til omkring 44 THz.

Tænd lyset

Indtil videre har forskerne kun beregnet og modelleret deres strukturer. Imidlertid, de foreslåede strukturer er alle blevet valgt med fabrikation i tankerne, så når de først har fået deres kanindragter, testenheder burde være på vej. Så kan silicium frekvens kamme virkelig stramme deres ting. Et godt eksempel:silicium er gennemsigtigt over en bred vifte af det infrarøde, som også er det bølgelængdeområde, der er nødvendigt for spektroskopisk identifikation af molekyler. En chip-baseret frekvenskam vil muliggøre høj præcision og høj følsomhed kompakte spektrometre.