Lineal for lys kunne muliggøre detaljeret måling i personlige enheder

Stanford-forskere har afsløret en ny type frekvenskam, en højpræcisionsmåleenhed, som er innovativ lille, ultra-energieffektiv og usædvanlig nøjagtig. Med fortsat udvikling, dette gennembrud "microcomb" - som er detaljeret beskrevet i en undersøgelse offentliggjort 7. marts i Nature — kunne være grundlaget for massemarkedsadoption af enhederne i dagligdags elektronik.

Frekvenskamme er specialiserede lasere, der genererer jævnt fordelte lyslinjer svarende til tænderne på en kam eller mere passende, fluebenene på en lineal. I det omkring kvarte århundrede af deres udvikling, har disse "lyslinealer" revolutioneret mange slags højpræcisionsmålinger, fra tidtagning til molekylær detektion via spektroskopi. Men fordi frekvenskamme kræver omfangsrigt, dyrt og strømkrævende udstyr, har deres anvendelse stort set været begrænset til laboratorieindstillinger.

Forskerne opdagede en løsning på disse problemer ved at integrere to forskellige tilgange til miniaturisering af frekvenskamme i én ligetil, let producerbar mikrochip-lignende platform. Blandt de mange anvendelser, forskerne forestiller sig for deres alsidige teknologi, er kraftfulde håndholdte medicinske diagnostiske anordninger og udbredte drivhusgasovervågningssensorer.

"Strukturen for vores frekvenskam bringer de bedste elementer fra den nye mikrokamteknologi sammen i én enhed," sagde Hubert Stokowski, en postdoc-forsker i laboratoriet hos Amir Safavi-Naeini og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vi kan potentielt skalere vores nye frekvensmikrokam til kompakte, energibesparende og billige enheder, der kan installeres næsten hvor som helst."

"Vi er meget begejstrede for denne nye mikrokamteknologi, som vi har demonstreret for nye typer præcisionssensorer, der både er små og effektive nok til at være i nogens telefon en dag," siger Safavi-Naeini, lektor ved Institut for Anvendt Fysik. ved Stanford's School of Humanities and Sciences og seniorforfatter af undersøgelsen.

Kristelig lys

Denne nye enhed kaldes en Integrated Frequency-Modulated Optical Parametric Oscillator eller FM-OPO.

Værktøjets komplekse navn indikerer, at det kombinerer to strategier til at skabe rækken af ​​distinkte frekvenser eller lysfarver, der udgør en frekvenskam. En strategi, kaldet optisk parametrisk oscillation, involverer at kaste stråler af laserlys i et krystalmedium, hvor det genererede lys organiserer sig i pulser af kohærente, stabile bølger.

Den anden strategi er centreret om at sende laserlys ind i et hulrum og derefter modulere lysets fase – opnået ved at påføre radiofrekvente signaler til enheden – for i sidste ende at producere frekvensgentagelser, der på samme måde fungerer som lysimpulser.

Disse to strategier for mikrokamme er ikke blevet brugt meget, fordi begge har ulemper. Disse problemer omfatter energiineffektivitet, begrænset evne til at justere optiske parametre og suboptimal kam "optisk båndbredde", hvor de kamlignende linjer falmer, når afstanden fra midten af ​​kammen øges.

Forskerne nærmede sig udfordringen på ny gennem deres arbejde på en meget lovende optisk kredsløbsplatform baseret på et materiale kaldet tyndfilmlithiumniobat. Materialet har fordelagtige egenskaber sammenlignet med silicium, industristandardmaterialet. To af disse nyttige egenskaber er "ikke-linearitet" (det tillader lysstråler af forskellige farver at interagere med hinanden for at generere nye farver eller bølgelængder), og en bred vifte af lysbølgelængder kan passere gennem den.

Forskerne skabte komponenterne i hjertet af den nye frekvenskam ved hjælp af integreret lithiumniobatfotonik. Disse lysmanipulerende teknologier bygger på fremskridt inden for det relaterede, mere etablerede område af siliciumfotonik, som involverer fremstilling af optiske og elektroniske integrerede kredsløb på siliciummikrochips. På denne måde har lithiumniobat og siliciumfotonik begge udvidet sig til halvlederne i konventionelle computerchips, hvis rødder rækker tilbage til 1950'erne.

"Lithiumniobat har visse egenskaber, som silicium ikke har, og vi kunne ikke have lavet vores mikrokam uden det," sagde Safavi-Naeini.

Overraskende fremragende ydeevne

Dernæst samlede forskerne elementer af både optisk parametrisk forstærkning og fasemodulationsstrategier. Holdet forventede visse præstationskarakteristika fra det nye frekvenskamsystem på lithiumniobatchips - men det, de så, viste sig at være langt bedre, end de havde forventet.

Samlet set producerede kammen et kontinuerligt output i stedet for lysimpulser, hvilket gjorde det muligt for forskerne at reducere den nødvendige inputeffekt med cirka en størrelsesorden. Enheden gav også en bekvem "flad" kam, hvilket betyder, at kamlinjerne længere i bølgelængde fra midten af ​​spektret ikke falmede i intensitet, hvilket giver større nøjagtighed og bredere anvendelighed i måleapplikationer.

"Vi var virkelig overraskede over denne kam," sagde Safavi-Naeini. "Selvom vi havde en vis intuition om, at vi ville få kam-lignende adfærd, forsøgte vi ikke rigtig at lave præcis denne type kam, og det tog os et par måneder at udvikle simuleringerne og teorien, der forklarede dens vigtigste egenskaber."

For yderligere indsigt i deres overpræsterende enhed henvendte forskerne sig til Martin Fejer, J. G. Jackson og C. J. Wood-professoren i fysik og en professor i anvendt fysik ved Stanford. Sammen med andre kolleger hos Stanford har Fejer hjulpet med at fremme moderne tyndfilmslithiumniobatfotonikteknologier og forståelsen af ​​materialets krystalegenskaber.

Fejer, der også er medforfatter til studiet, lavede nøgleforbindelsen mellem de fysiske principper, der ligger til grund for mikrokammen, og ideer diskuteret i videnskabelig litteratur fra 1970'erne, især begreber, der var pioneret af Stephen Harris, emeritus professor i anvendt fysik og elektroteknik ved Stanford.

De nye mikrokamme, med yderligere honing, skulle let kunne fremstilles på konventionelle mikrochipstøberier med mange praktiske anvendelser såsom sensing, spektroskopi, medicinsk diagnostik, fiberoptisk kommunikation og bærbare sundhedsovervågningsenheder.

"Vores mikrokam-chip kan sættes i hvad som helst, hvor størrelsen af ​​den samlede enhed afhænger af størrelsen på batteriet," sagde Stokowski. "Den teknologi, vi har demonstreret, kunne gå ind i en lav-powered personlig enhed, på størrelse med en telefon eller endnu mindre, og tjene alle mulige nyttige formål."

Flere oplysninger: Amir Safavi-Naeini, integreret frekvensmoduleret optisk parametrisk oscillator, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07071-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07071-2

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Stanford University