Frekvenskammar håller på att bli en av 2000-talets stora möjliggörande teknologier. Atomklockor med hög precision, och högprecisionsspektroskopi är bara två tekniker som har dragit nytta av utvecklingen av mycket exakta frekvenskammar. Dock, de ursprungliga frekvenskamkällorna krävde ett rum fullt med utrustning. Och det visar sig att om du föreslår att ett rum fullt av delikat utrustning är perfekt för en kommersiell tillämpning, utvecklingsingenjören gör en snabb linje för närmaste utgång.

Dessa nackdelar skulle lösas genom att tillverka chipbaserade enheter som faktiskt är tillräckligt robusta för att klara påfrestningarna av daglig användning. Att göra det, forskare måste balansera materialegenskaper med ljusets beteende i en vågledare. Denna balans är lättare att konstruera i glas, för applikationer och integration med befintliga enheter, det skulle vara bättre att använda kisel.

Det är svårt att göra mycket breda frekvenskammar av kiselvågledare, men smart vågledarteknik kan vara på väg att göra den uppgiften lite lättare. Zhang och kollegor, rapporterar in Avancerad fotonik , har visat ett sätt att göra en graderad indexvågledare som gör att bredden på en frekvenskam kan mer än fördubblas (jämfört med en normal vågledare).

Toppinriktning för en bredare kam?

En frekvenskam är ett ljusspektrum som består av många mycket skarpt definierade frekvenser som är jämnt fördelade. Ett kraftspektrum ser snarare ut som en kam, därav namnet.

Frekvenskamgenerering är en delikat balans mellan materialegenskaperna som tillåter ljus att generera nya ljusfärger (kallad optisk olinjäritet), konfigurationen av vägen ljuset följer (den optiska resonatorn), och spridningen (hur ljusets hastighet varierar med våglängden i materialet). Det sista föremålet, dispersion, är vanligtvis mördaren, och det är här som Zhangs och kollegors arbete fokuserar. För att generera en mycket bred frekvenskam, färgerna som utgör kammen måste alla hålla sig i fas med varandra. Konkret uttryckt:om två vågor vid en punkt har sina toppar i linje, sedan någon gång längre fram i rum och tid, dessa toppar borde fortfarande ligga i linje. Men, vanligtvis, detta händer aldrig, och topparna glider förbi varandra, förhindra att nya frekvenser genereras.

Engineering till undsättning

För att kompensera för materialspridningen, forskare vänder sig ofta till vågledarteknik. Eftersom vågledare är gjorda av material, de har spridning, och inneslutningen av själva vågledaren introducerar en annan typ av dispersion. Denna spridning beror på formen på vågledaren, dimensionerna, samt de material som används. Detta tillåter ingenjörer att motverka materialspridning genom sin vågledardesign.

Men, det här är tufft arbete i kisel. Kiselkärnan har ett stort brytningsindex jämfört med glasbeklädnaden. Den stora skillnaden mellan de två skapar en stark dispersion som överkompenserar för materialspridningen.

Zhang och kollegors insikt är att gränssnittet mellan glasbeklädnaden och kiselkärnan inte behöver vara skarp. De har designat en vågledare som har en kiselkärna med en fiskbensstruktur som sträcker sig utåt i glasbeklädnaden. Det effektiva brytningsindexet i det blandade området är medelvärdet av glaset och kiselet, som gradvis övergår från kisel till glas:en vågledare med graderat index.

I det graderade indexet, röda färger sprids ut för att ockupera ett större område av vågledaren, medan blåare färger är mer tätt begränsade. Nettoeffekten är att de olika våglängderna beter sig som om de färdas i vågledare med olika bredd, medan de faktiskt reser tillsammans i samma vågledare. Forskarna hänvisar till denna effekt som en självanpassningsbar gräns. De undersökte olika konfigurationer för fiskbensstrukturen. Varje konfiguration ökade våglängdsområdet över vilket dispersionen var liten.

För att bekräfta att deras graderade indexvågledare skulle resultera i bättre frekvenskammar, teamet modellerade frekvenskamgenerering i standard- och graderade indexvågledare. De visade att frekvensspektrumet utökades från cirka 20 THz till cirka 44 THz.

Tänd ljuset

Hittills har forskarna bara beräknat och modellerat sina strukturer. Dock, de föreslagna strukturerna har alla valts med tillverkning i åtanke, så när de väl får sina kaninkostymer, testenheter bör vara på väg. Då kan kiselfrekvenskammar verkligen sträcka sina grejer. Ett bra exempel:kisel är transparent över ett brett spektrum av infraröda, vilket också är det våglängdsområde som behövs för spektroskopisk identifiering av molekyler. En chipbaserad frekvenskam möjliggör kompakta spektrometrar med hög precision och hög känslighet.