Lasrar spelar en viktig roll i allt från modern kommunikation och anslutning till biomedicin och tillverkning. Många applikationer, dock, kräver lasrar som kan avge flera frekvenser - ljusfärger - samtidigt, var och en exakt separerad som tanden på en kam.

Optiska frekvenskammar används för miljöövervakning för att detektera förekomsten av molekyler, såsom toxiner; i astronomi för att leta efter exoplaneter; i precisionsmetrologi och timing. Dock, de har förblivit skrymmande och dyra, som begränsade deras tillämpningar. Så, forskare har börjat undersöka hur man miniatyriserar dessa ljuskällor och integrerar dem på ett chip för att ta itu med ett större antal applikationer, inklusive telekommunikation, Mikrovågssyntes och optisk intervall. Men hittills, on-chip frekvenskammar har kämpat med effektivitet, stabilitet och kontrollerbarhet.

Nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och Stanford University har utvecklat en integrerad, on-chip frekvenskam som är effektiv, stabil och mycket kontrollerbar med mikrovågor.

Forskningen publiceras i Natur .

"I optisk kommunikation, om du vill skicka mer information via en liten, fiberoptisk kabel, du måste ha olika ljusfärger som kan styras oberoende, "sa Marko Loncar, Tiantsai Lin -professor i elektroteknik vid SEAS och en av de högre författarna till studien. "Det betyder att du antingen behöver hundra separata lasrar eller en frekvenskam. Vi har utvecklat en frekvenskam som är en elegant, energieffektivt och integrerat sätt att lösa detta problem. "

Loncar och hans team utvecklade frekvenskammen med litiumniobit, ett material som är känt för sina elektrooptiska egenskaper, vilket innebär att den effektivt kan omvandla elektroniska signaler till optiska signaler. Tack vare de starka elektro-optiska egenskaperna hos litiumniobit, teamets frekvenskam sträcker sig över hela telekommunikationsbandbredden och har dramatiskt förbättrad avstämning.

"Tidigare frekvenskammar på chip gav oss bara en inställningsratt, "sa förste författaren Mian Zhang, nu VD för HyperLight och tidigare postdoktor vid SEAS. "Det är ungefär som en TV där kanalknappen och volymknappen är desamma. Om du vill byta kanal, du ändrar volymen också. Med hjälp av den elektrooptiska effekten av litiumniobat, vi separerade effektivt dessa funktioner och har nu oberoende kontroll över dem. "

Detta uppnåddes med hjälp av mikrovågssignaler, tillåta kammens egenskaper - inklusive bandbredd, avståndet mellan tänderna, höjden på linjer och vilka frekvenser som är på och av - för att ställas in oberoende av varandra.

"Nu, vi kan enkelt styra kammens egenskaper med mikrovågor, "sa Loncar." Det är ett annat viktigt verktyg i den optiska verktygslådan. "

"Dessa kompakta frekvenskammar är särskilt lovande som ljuskällor för optisk kommunikation i datacenter, "sa Joseph Kahn, Professor i elektroteknik vid Stanford och den andra seniorförfattaren till studien. "I ett datacenter-bokstavligen en lagerstor byggnad som innehåller tusentals datorer-bildar optiska länkar ett nätverk som förbinder alla datorer så att de kan arbeta tillsammans på massiva datoruppgifter. En frekvenskam, genom att ge många olika färger av ljus, kan göra det möjligt för många datorer att sammankopplas och utbyta massiva mängder data, tillfredsställa de framtida behoven hos datacenter och molndatorer.

Harvard Office of Technology Development har skyddat den immateriella äganderätten för detta projekt. Forskningen fick också stöd av OTD:s Physical Sciences &Engineering Accelerator, som tillhandahåller translationell finansiering för forskningsprojekt som visar potential för betydande kommersiell påverkan.