EPFL-forskare har hittat ett sätt att miniatyrisera frekvenskammarna, inse ett nytt steg mot miniatyrisering av sådana verktyg. Deras enhet kan mäta ljussvängningar med en precision på 12 siffror.

En kompakt, precisionsverktyg för att räkna och spåra laserfrekvenser kan förbättra atomklockor och optiska dataöverföringsenheter. Dock, ljusvågor svänger hundratals biljoner gånger per sekund, en frekvens som är omöjlig att mäta direkt. Stora pulsade laserkällor används vanligtvis för att producera "frekvenskammar" som kan länka den optiska domänen till radiofrekvenserna och göra det möjligt att räkna ljusets svängningar. EPFL-forskare har hittat ett sätt att miniatyrisera frekvenskammarna, inse ett nytt steg mot miniatyrisering av sådana verktyg. Deras enhet kunde mäta ljussvängningar med en precision på 12 siffror. Verket publiceras i tidskriften Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

Tobias J. Kippenbergs labb vid EPFL, i ett projekt ledd av Victor Brasch och Erwan Lucas, skapade vad som kallas en "självrefererad optisk frekvenskam". Detta är i huvudsak en serie av tätt åtskilda spektrallinjer vars avstånd är identiskt och känt. Eftersom de är så väldefinierade, optiska frekvenskammar kan användas som en "linjal" för att mäta frekvensen – eller färgen – för vilken laserstråle som helst. Genom att jämföra en okänd färg med denna linjal, det är möjligt att beräkna dess frekvens. Dock, detta innebär ett kritiskt steg som kallas "självhänvisning", en metod som exakt bestämmer positionen för varje enskild bock på frekvenslinjalen, men kräver en mycket lång linjal – ett brett spektralområde, som forskarna säger – vilket är utmanande att få.

Även om optiska frekvenskammar gav sina uppfinnare Nobelpriset i fysik 2005, de krävde fortfarande skrymmande optiska inställningar. Prof. Kippenbergs labb visade 2007 att optiska frekvenskammar kunde skapas med hjälp av små enheter som kallas "optiska mikroresonatorer":mikroskopiska ringformade strukturer gjorda av mycket fin kiselnitrid som mäter några millimeter till några tiotals mikrometer i diameter. Dessa strukturer kan fånga ett kontinuerligt laserljus och omvandla det till ultrakorta pulser – solitoner – tack vare enhetens speciella olinjära egenskaper. Solitonerna färdas runt mikroresonatorn 200 miljarder gånger per sekund och den pulsade utsignalen från mikroresonatorn skapar den optiska frekvenskammen.

Förra året, gruppen löste en enastående utmaning, som visar att en noggrann kontroll av mikroresonatorparametrarna, möjliggör att generera ett mycket brett frekvensspektrum direkt på chipet. Vid denna tidpunkt, de genererade frekvenserna sträcker sig över två tredjedelar av en oktav jämfört med frekvensen för den inkommande lasern (en oktav avser antingen dubbel eller halva frekvensen). När det kombineras med ett laseröverföringssystem, baserad på icke-linjära kristaller, lagets tillvägagångssätt möjliggjorde självreferens, samtidigt som man eliminerar behovet av skrymmande, externa system som traditionellt används för frekvensbreddning.

Med detta, forskarna kunde bevisa att deras optiska frekvenskam kan användas för de mest exakta mätapplikationerna:de mätte frekvensen hos en laser med deras teknik såväl som ett traditionellt frekvenskamsystem och visade att de två resultaten överensstämde över 12 siffror.

Tekniken kan integreras med både fotoniska element och kiselmikrochips. Att etablera enheter som tillhandahåller en RF till optisk länk på ett chip kan katalysera en mängd olika applikationer såsom integrerade, atomur och on-chip, och skulle kunna bidra till att göra optisk frekvensmetrologi allmänt förekommande.