I ett förskott som kan krympa många mättekniker, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och partners har visat de första miniatyriserade enheterna som kan generera önskade frekvenser, eller färger, ljus nog nog för att spåras till en internationell mätstandard.

Forskarna kombinerade ett par frekvenskammar, en avstämbar minilaser och elektronik för att skapa en optisk frekvenssynthesizer. Förskottet överför förmågan att programmera optiska frekvenser från bordsskalainstrument till tre kiselchips, med hög precision och precision kvar.

Precis som radio- och mikrovågsflis driver elektronikrevolutionen, miniatyriseringen av optiska frekvenssyntetiserare för att göra dem bärbara och lämpade för tillverkning med hög volym bör öka fält som tidtagning, kommunikation, spårgasövervakning och astronomi.

Prototypen synthesizer beskrivs i tidskriften Natur , i en tidning som publicerades på nätet den 25 april. Frekvenskammar är en Nobelprisad teknologi utvecklad vid NIST som är avgörande för de senaste experimentella atomklockorna.

"Ingen visste hur man gör en optisk frekvenssynt med små chips, "NIST -medförfattaren Scott Papp sa." Detta är det första genombrottet som visar att du kan göra detta. Tills nu, ingen har någonsin använt en chipskala för att göra metrologi som helt kan spåras till en internationell standard. "

Projektet leddes av NIST-fysiker i Boulder, Colorado, med ett kamchip tillverkat vid California Institute of Technology (Caltech i Pasadena, Kalifornien) och det andra kamchipet som gjorts vid NIST:s Center for Nanoscale Science and Technology (i Gaithersburg, Maryland.). University of California i Santa Barbara utvecklade ett programmerbart halvledarlaserchip.

Var och en av de tre chipsen är cirka 5 millimeter med 10 millimeter. Med ytterligare framsteg inom material och tillverkning, chipsen kommer sannolikt att förpackas tillsammans av en av NIST:s partnerinstitutioner, Sa Papp.

I en bordsfrekvenskam i full storlek-vanligtvis monterad för hand från metall- och glaskomponenter-cirkulerar laserljus inuti ett optiskt hålrum, en specialiserad uppsättning speglar, för att producera en uppsättning lika fördelade linjer som ser ut som en hårkam där varje "tand" är en individuell färg. I de chipbaserade versionerna, hålrummen är platta, runda tävlingsbanor som är tillverkade på kisel med hjälp av automatiserade tekniker som liknar dem som används vid tillverkning av datorchips.

Den nya optiska syntetiseraren använder bara 250 milliwatt (tusendels watt) optisk effekt på chipet-mycket mindre än en klassiker, frekvenskam i full storlek.

Synthesizerutgången är den programmerbara lasern, vars ljusvågssvängningar fungerar som optiska klockfickor som kan spåras till SI -sekunden, den internationella tidsstandarden baserad på cesiumatomens mikrovågsvibrationer. Utgångslasern styrs av de två frekvenskammarna, som tillhandahåller synkroniserade länkar mellan mikrovågsfrekvenser och optiska frekvenser.

Varje kam skapas av ljus som sänds ut av en separat, enfärgad "pump" laser. NIST-kammen är 40 mikrometer (miljondelar av en meter) i diameter. Denna kam har stort avstånd mellan tänderna men kan kalibrera sig själv genom att spänna över en oktav - som, som i musik, avser intervallet mellan två toner som är hälften eller två gånger frekvensen av varandra. Denna funktion kalibrerar synten.

Tävlingsbanan är en anpassad vågledare gjord av kiselnitrid, som erbjuder speciella egenskaper som vidgar ljusets spektrum, koncentrera ljuset i ett litet område för att öka intensiteten, kan justeras genom förändringar i geometri, och kan göras som datorchips med litografiska tekniker.

Caltech -kammen är fysiskt större, cirka 100 gånger bredare och tillverkad av smält kiseldioxid. Men den här kammens tänder är mycket finare och sträcker sig över ett mycket smalare våglängdsområde-i 1550-nanometerbandet som används för telekommunikation, fokus för syntesdemonstrationen. Avståndet mellan tänderna är en mikrovågsfrekvens som kan mätas och kontrolleras i förhållande till SI -sekunden. Genom en digital matematisk konverteringsprocess, denna fintandade kam identifierar stabil, exakta optiska frekvenser inom det bredare avståndet från den kalibrerade NIST-kammen.

Således, de två kammarna fungerar som en frekvensmultiplikator för att omvandla klockfästingarna från mikrovågsugnen till den optiska domänen med bibehållen noggrannhet och stabilitet.

Forskargruppen demonstrerade systemet genom att syntetisera en rad optiska frekvenser i telekombandet och karakterisera prestandan med en separat frekvenskam som härrör från samma klocka. Forskare demonstrerade systemarkitekturen, verifierade noggrannheten av frekvenssyntesen, och bekräftade att synthesizern erbjöd stabil synkronisering mellan klockan och kamutmatningen.