Ny on-chip laserfrekvenskam er 100 gange mere effektiv end tidligere versioner

On-chip laserfrekvenskamme – lasere, der udsender flere frekvenser eller farver af lys samtidigt adskilt som tanden på en kam – er en lovende teknologi til en række applikationer, herunder miljøovervågning, optisk databehandling, astronomi og metrologi. Imidlertid er on-chip frekvenskamme stadig begrænset af et alvorligt problem - de er ikke altid effektive. Der er flere måder at afbøde effektivitetsproblemet på, men de lider alle under afvejninger. For eksempel kan kamme enten have høj effektivitet eller bred båndbredde, men ikke begge dele. Manglende evne til at designe en on-chip laserfrekvenskam, der er både effektiv og bred, har hindret forskere i årevis og hindret den udbredte kommercialisering af disse enheder.

Nu har et hold fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) udviklet en elektro-optisk frekvenskam, der er 100 gange mere effektiv end tidligere avancerede versioner og har mere end to gange deres båndbredde.

"Vores enhed baner vejen for praktiske optiske frekvenskamgeneratorer og åbner døren for nye applikationer," sagde Marko Lončar, Tiantsai Lin professor i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af undersøgelsen. "Det giver også en platform til at undersøge nye områder af optisk fysik."

Forskningen er publiceret i Nature Photonics .

Dette fremskridt bygger på tidligere forskning fra Lončar og hans team.

I 2019 demonstrerede Lončar og hans laboratorium den første stabile, on-chip frekvenskam, der kunne styres med mikrobølger. Denne såkaldte elektro-optiske frekvenskam, bygget på lithium-niobat-platformen, som var banebrydende af Lončars laboratorium, strakte sig over hele telekommunikationsbåndbredden, men var begrænset i sin effektivitet. I 2021 udviklede holdet en koblet resonatorenhed til at kontrollere lysstrømmen og brugte dem til at demonstrere on-chip frekvensskiftere - en enhed, der kan ændre lysets farve med næsten 100 % effektivitet.

Den seneste forskning anvender de to koncepter til at løse udfordringen i resonatorbaserede elektro-optiske frekvenskamme:effektivitet-båndbredde-afvejning.

"Vi demonstrerede, at vi ved at kombinere disse to tilgange – den koblede resonator med den elektro-optiske frekvenskam – kunne forbedre effektiviteten meget uden at ofre båndbredden. Faktisk forbedrede vi faktisk båndbredden," siger Yaowen Hu, forskningsassistent hos SEAS og første forfatter af papiret.

"Vi fandt ud af, at når du forbedrer ydeevnen af ​​kamkilden til dette niveau, begynder enheden at fungere i et helt nyt regime, der kombinerer processen med elektro-optisk frekvenskamgenerering med den mere traditionelle tilgang af en Kerr-frekvenskam," sagde Mengjie Yu, en tidligere postdoc-stipendiat ved SEAS og medførsteforfatter af papiret.

Yu er i øjeblikket assisterende professor ved University of Southern California.

Denne nye kam kan generere ultrahurtige femtosekund-impulser ved høj effekt. Sammen med højeffektiviteten og bredbåndet kan denne enhed være nyttig til applikationer inden for astronomi, optisk databehandling, afstandsmåling og optisk metrologi.

Forskningen var medforfatter af Brandon Buscaino, Neil Sinclair, Di Zhu, Rebecca Cheng, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Mian Zhang og Joseph M. Kahn. + Udforsk yderligere

On-chip, elektronisk indstillelig frekvenskam