En ny on-chip frekvenskam kombinerar en kopplad resonator med en elektrooptisk frekvenskam för att förbättra effektiviteten hos frekvenskamarna och förbättra bandbredden. Kredit:Yiqing Pei/Harvard SEAS
On-chip laserfrekvenskammar – lasrar som avger flera frekvenser eller ljusfärger samtidigt separerade som tanden på en kam – är en lovande teknik för en rad applikationer inklusive miljöövervakning, optisk beräkning, astronomi och metrologi. Emellertid begränsas frekvenskammarna på chip fortfarande av ett allvarligt problem - de är inte alltid effektiva. Det finns flera sätt att mildra effektivitetsproblemet, men de lider alla av kompromisser. Till exempel kan kammar antingen ha hög effektivitet eller bred bandbredd men inte båda. Oförmågan att designa en laserfrekvenskam på chip som är både effektiv och bred har hindrat forskare i flera år och hindrat den utbredda kommersialiseringen av dessa enheter.
Nu har ett team från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utvecklat en elektrooptisk frekvenskam som är 100 gånger effektivare än tidigare toppmoderna versioner och har mer än två gånger deras bandbredd.
"Vår enhet banar väg för praktiska optiska frekvenskamgeneratorer och öppnar dörren för nya tillämpningar, säger Marko Lončar, Tiantsai Lin professor i elektroteknik vid SEAS och senior författare till studien. "Det ger också en plattform för att undersöka nya områden för optisk fysik."
Forskningen publiceras i Nature Photonics .
Detta framsteg bygger på tidigare forskning från Lončar och hans team.
2019 demonstrerade Lončar och hans labb den första stabila, on-chip frekvenskammen som kunde styras med mikrovågor. Denna så kallade elektro-optiska frekvenskam, byggd på litiumniobatplattformen som banat väg för av Lončars labb, sträckte sig över hela telekommunikationsbandbredden men var begränsad i sin effektivitet. År 2021 utvecklade teamet en kopplad resonatorenhet för att kontrollera ljusflödet och använde dem för att demonstrera on-chip frekvensskiftare – en enhet som kan ändra ljusets färg med nästan 100 % effektivitet.
Den senaste forskningen tillämpar de två koncepten för att ta itu med utmaningen i resonatorbaserade elektrooptiska frekvenskammar:effektivitet-bandbreddsavvägning.
"Vi visade att genom att kombinera dessa två tillvägagångssätt - den kopplade resonatorn med den elektrooptiska frekvenskammen - kunde vi förbättra effektiviteten mycket utan att offra bandbredd. Faktum är att vi faktiskt förbättrade bandbredden", säger Yaowen Hu, forskningsassistent på SEAS och första författare till tidningen.
"Vi upptäckte att när du förbättrar kamkällans prestanda till den här nivån, börjar enheten fungera i en helt ny regim som kombinerar processen för elektro-optisk frekvenskamgenerering med det mer traditionella tillvägagångssättet med en Kerr-frekvenskam," sa Mengjie Yu, en före detta postdoktor vid SEAS och medförfattare till tidningen.
Yu är för närvarande biträdande professor vid University of Southern California.
Denna nya kam kan generera ultrasnabba femtosekundpulser med hög effekt. Tillsammans med högeffektiviteten och bredbandet kan denna enhet vara användbar för applikationer inom astronomi, optisk beräkning, avståndsavstånd och optisk metrologi.
Forskningen var medförfattare av Brandon Buscaino, Neil Sinclair, Di Zhu, Rebecca Cheng, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Mian Zhang och Joseph M. Kahn. + Utforska vidare
