Nyt design kan øge effektiviteten af ​​on-chip-frekvenskamme

På forsiden af ​​Pink Floyd -albummet Dark Side of the Moon, et prisme deler en lysstråle i alle regnbuens farver. Denne flerfarvede medley, som skyldes dens fremkomst, at lyset bevæger sig som en bølge, skjuler sig næsten altid i almindeligt syn; et prisme afslører simpelthen, at det var der. For eksempel, sollys er en blanding af mange forskellige farver, hver bobbing op og ned med deres egen karakteristiske frekvens. Men tilsammen smelter farverne sammen til et ensartet gulligt skær.

Et prisme, eller noget lignende, kan også fortryde denne opdeling, blande en regnbue tilbage til en enkelt stråle. Tilbage i slutningen af ​​1970'erne, forskere fandt ud af, hvordan man genererer mange lysfarver, jævnt fordelt i frekvens, og bland dem sammen - en skabelse, der blev kendt som en frekvenskam på grund af den piggede måde, frekvenserne stillede op som tænderne på en kam. De overlappede også toppen af ​​de forskellige frekvenser ét sted, at få farverne til at samles for at danne korte lyspulser frem for én kontinuerlig stråle.

Efterhånden som frekvenskamteknologien udviklede sig, videnskabsfolk indså, at de kunne muliggøre nye laboratorieudviklinger, såsom ultra-præcise optiske atomure, og i 2005 havde frekvenskamme tjent to forskere en andel af Nobelprisen i fysik. Disse dage, frekvenskamme finder anvendelser i moderne teknologi, ved at hjælpe selvkørende biler med at "se" og lade optiske fibre sende mange kanaler værd af information på én gang, blandt andre.

Nu, et samarbejde mellem forskere ved University of Maryland (UMD) har foreslået en måde at gøre frekvenskam i stor størrelse ti gange mere effektiv ved at udnytte topologiens magt-et område med abstrakt matematik, der ligger til grund for nogle af de mest særegne adfærd i moderne materialer . Holdet, ledet af JQI Fellows Mohammad Hafezi og Kartik Srinivasan, samt Yanne Chembo, lektor i elektroteknik og computerteknik ved UMD og medlem af Institute for Research in Electronics and Applied Physics, offentliggjorde deres resultat for nylig i tidsskriftet Naturfysik .

"Topologi er dukket op som et nyt designprincip inden for optik i det sidste årti, "siger Hafezi, "og det har ført til mange spændende nye fænomener, nogle uden elektronisk modstykke. Det ville være fascinerende, hvis man også finder en anvendelse af disse ideer. "

Små chips, der kan generere en frekvenskam, har eksisteret i næsten femten år. De fremstilles ved hjælp af mikro-ringresonatorer-cirkler af materiale, der sidder oven på en chip og leder lyset rundt i en sløjfe. Disse cirkler er normalt lavet af en siliciumforbindelse, der er 10 til 100 mikrometer i diameter og trykt direkte på et printkort.

Lys kan sendes ind i mikro-ringen fra et tilstødende stykke siliciumforbindelse, deponeret i en lige linje i nærheden. Hvis lysfrekvensen matcher en af ​​resonatorens naturlige frekvenser, lyset vil gå rundt og rundt tusinder af gange-eller genklang-opbygge lysintensiteten i ringen, før det lækker tilbage ud i den lige linje.

Cirkel rundt om tusinder af gange giver lyset mange chancer for at interagere med silicium (eller anden forbindelse), det rejser igennem. Denne interaktion får andre lysfarver til at dukke op, adskilt fra den farve, der sendes ind i resonatoren. Nogle af disse farver vil også give genlyd, gå rundt og rundt i cirklen og opbygge magt. Disse resonansfarver har frekvenser med jævnt mellemrum - de svarer til lysets bølgelængder, der er en heltal brøkdel af ringomkredsen, foldes pænt ind i cirklen og tvinger frekvenserne til at danne tænder på en kam. Med præcis den rigtige inputeffekt og farve, toppen af ​​alle farverne overlapper automatisk, laver en stabil kam. De jævnt fordelte farver, der udgør kammen, kommer sammen til at danne en enkelt, smal lyspuls, der cirkulerer rundt om ringen.

"Hvis du indstiller strømmen og frekvensen af ​​det lys, der går ind i resonatoren, for at være helt rigtigt, på magisk vis ved output får du disse lyspulser, "siger Sunil Mittal, en postdoktor ved JQI og hovedforfatter af papiret.

On-chip frekvenskamme giver mulighed for kompakte applikationer. For eksempel, lysregistrering og rækkevidde (LIDAR) gør det muligt for selvkørende biler at registrere, hvad der er omkring dem ved at hoppe korte lysimpulser frembragt af en frekvenskam ud af omgivelserne. Når pulsen kommer tilbage til bilen, det sammenlignes med en anden frekvenskam for at få et præcist kort over omgivelserne. I telekommunikation, kamme kan bruges til at transmittere mere information i en optisk fiber ved at skrive forskellige data på hver kamtænder ved hjælp af en teknik kaldet bølgelængde-divisionsmultiplexering (WDM).

Men chipskala-frekvenskamme har også deres begrænsninger. I en mikro-ring, den brøkdel af strøm, der kan konverteres fra input til en kam ved output - mode -effektiviteten - er grundlæggende begrænset til kun 5 procent.

Mittal, Hafezi, og deres samarbejdspartnere har tidligere været banebrydende inden for et mikroringsarray med indbygget topologisk beskyttelse, og brugte den til at levere enkeltfotoner på forespørgsel og generere sammenflettede fotoner på bestilling. De spekulerede på, om et lignende setup-et firkantet gitter af mikro-ringresonatorer med ekstra "link" -ringe-også kunne tilpasses til at forbedre frekvenskammeteknologien.

I denne indstilling, mikroringene langs gitterets ydre kant adskiller sig fra alle ringene i midten. Lys sendt ind i gitteret tilbringer det meste af sin tid langs denne yderkant og, på grund af de topologiske begrænsninger, det spreder sig ikke ind i midten. Forskerne kalder denne ydre cirkel af mikroringe en superring.

Teamet håbede at finde magiske forhold, der ville danne en frekvenskam i de pulser, der cirkulerer rundt om superringen. Men dette er vanskeligt:​​Hver af ringene i gitteret kan have sin egen lyspuls, der cirkler rundt og rundt. For at få en stor lyspuls til at gå rundt i superringen, pulserne inden for hver mikroring skulle arbejde sammen, synkroniseres for at danne en samlet puls, der går rundt om hele grænsen.

Mittal og hans samarbejdspartnere vidste ikke med hvilken frekvens eller effekt dette ville ske, eller om det overhovedet ville fungere. For at finde ud af det, Mittal skrev computerkode for at simulere, hvordan lyset ville krydse 12 x 12 ringgitteret. Til holdets overraskelse, ikke alene fandt de parametre, der fik mikro-ringpulserne til at synkronisere til en super-ringpuls, men de fandt også ud af, at effektiviteten var en faktor ti højere end muligt for en enkelt ringkam.

Denne forbedring skyldes alt samarbejdet mellem mikroringe. Simuleringen viste, at kamens tænder var anbragt i afstand i overensstemmelse med størrelsen på de enkelte mikroringe, eller bølgelængder, der foldes pænt rundt om den lille cirkel. Men hvis du har zoomet ind på en af ​​de enkelte tænder, du ville se, at de virkelig var opdelt i mindre, mere fint placerede undertænder, svarende til størrelsen på superringen. Kort fortalt, det indgående lys blev koblet med et par procents effektivitet i hver af disse ekstra undertænder, så den samlede effektivitet når op på 50 procent.

Teamet arbejder på en eksperimentel demonstration af denne topologiske frekvenskam. Ved hjælp af simuleringer, de var i stand til at skille siliciumnitrid ud som et lovende materiale til mikroringene, samt finde ud af, hvilken lysfrekvens og kraft, der skal sendes ind. De mener, at konstruktion af deres supereffektive frekvenskam bør være inden for rækkevidde af de nyeste eksperimentelle teknikker.

Hvis en sådan kam er bygget, det kan blive vigtigt for den fremtidige udvikling af flere nøgleteknologier. Den højere effektivitet kan gavne applikationer som LIDAR i selvkørende biler eller kompakte optiske ure. Derudover tilstedeværelsen af ​​fint mellemliggende undertænder omkring hver enkelt tand kunne, for eksempel, også hjælpe med at tilføje flere informationskanaler i en WDM -sender.

Og teamet håber, at dette kun er begyndelsen. "Der kan være mange applikationer, som vi ikke engang kender endnu, "siger Mittal." Vi håber, at der kommer meget flere ansøgninger, og flere mennesker vil være interesserede i denne tilgang. "