Stanford-forskare har avslöjat en ny typ av frekvenskam, en mätanordning med hög precision, som är innovativt liten, ultraenergieffektiv och exceptionellt exakt. Med fortsatt utveckling, detta genombrott "microcomb" - som beskrivs i en studie publicerad 7 mars i Nature —kan vara grunden för massmarknadsantagandet av enheterna i vardagselektronik.
Frekvenskammar är specialiserade lasrar som genererar jämnt fördelade ljuslinjer som liknar tänderna på en kam eller, mer passande, tickmärkena på en linjal. Under det ungefär kvartssekel av deras utveckling har dessa "linjaler för ljus" revolutionerat många typer av högprecisionsmätning, från tidtagning till molekylär detektion via spektroskopi. Men eftersom frekvenskammar kräver skrymmande, kostsam och kraftkrävande utrustning, har deras utplacering till stor del begränsats till laboratorieinställningar.
Forskarna upptäckte en lösning för dessa problem genom att integrera två olika tillvägagångssätt för miniatyrisering av frekvenskammar i en enkel, lättproducerbar, mikrochipliknande plattform. Bland de många tillämpningar som forskarna tänker sig för sin mångsidiga teknologi är kraftfulla handhållna medicinska diagnostikenheter och utbredda sensorer för övervakning av växthusgaser.
"Strukturen för vår frekvenskam sammanför de bästa delarna av framväxande mikrokamteknologi till en enhet", säger Hubert Stokowski, en postdoktor vid Amir Safavi-Naeinis labb och huvudförfattare till studien. "Vi kan potentiellt skala vår nya frekvensmikrokam för kompakta, energisnåla och billiga enheter som kan användas nästan var som helst."
"Vi är väldigt glada över den här nya mikrokamteknologin som vi har demonstrerat för nya typer av precisionssensorer som är både små och effektiva nog att vara i någons telefon en dag", säger Safavi-Naeini, docent vid institutionen för tillämpad fysik vid Stanford's School of Humanities and Sciences och senior författare till studien.
Den här nya enheten kallas en Integrated Frequency-Modulated Optical Parametric Oscillator, eller FM-OPO.
Verktygets komplexa namn indikerar att det kombinerar två strategier för att skapa intervallet av distinkta frekvenser, eller ljusfärger, som utgör en frekvenskam. En strategi, som kallas optisk parametrisk oscillation, innebär att strålar av laserljus studsar i ett kristallmedium, där det genererade ljuset organiserar sig i pulser av koherenta, stabila vågor.
Den andra strategin fokuserar på att skicka laserljus in i en kavitet och sedan modulera ljusets fas – uppnådd genom att applicera radiofrekventa signaler på enheten – för att i slutändan producera frekvensrepetitioner som på samma sätt fungerar som ljuspulser.
Dessa två strategier för mikrokammar har inte använts i stor utsträckning eftersom båda har nackdelar. Dessa problem inkluderar energiineffektivitet, begränsad förmåga att justera optiska parametrar och suboptimal kam "optisk bandbredd" där de kamliknande linjerna bleknar när avståndet från mitten av kammen ökar.
Forskarna närmade sig utmaningen på nytt genom sitt arbete med en mycket lovande optisk kretsplattform baserad på ett material som kallas tunnfilmslitiumniobat. Materialet har fördelaktiga egenskaper jämfört med kisel, industristandardmaterialet. Två av dessa användbara egenskaper är "olinjäritet" (det tillåter ljusstrålar av olika färger att interagera med varandra för att generera nya färger eller våglängder) och ett brett spektrum av ljusvåglängder kan passera genom den.
Forskarna utformade komponenterna i hjärtat av den nya frekvenskammen med hjälp av integrerad litiumniobatfotonik. Dessa ljusmanipulerande teknologier bygger på framsteg inom det relaterade, mer etablerade området för kiselfotonik, som involverar tillverkning av optiska och elektroniska integrerade kretsar på kiselmikrochips. På detta sätt har litiumniobat och kiselfotonik båda expanderat till halvledarna i konventionella datorchips, vars rötter sträcker sig tillbaka till 1950-talet.
"Litiumniobat har vissa egenskaper som kisel inte har, och vi kunde inte ha gjort vår mikrokamenhet utan den", sa Safavi-Naeini.
Därefter sammanförde forskarna delar av både optisk parametrisk förstärkning och fasmoduleringsstrategier. Teamet förväntade sig vissa prestandaegenskaper från det nya frekvenskamsystemet på litiumniobatchips – men det de såg visade sig vara mycket bättre än de förväntat sig.
Sammantaget producerade kammen en kontinuerlig uteffekt snarare än ljuspulser, vilket gjorde det möjligt för forskarna att minska den erforderliga ineffekten med ungefär en storleksordning. Enheten gav också en bekvämt "plat" kam, vilket innebär att kamlinjerna längre i våglängd från mitten av spektrumet inte bleknade i intensitet, vilket gav större noggrannhet och bredare användbarhet i mättillämpningar.
"Vi blev verkligen överraskade av den här kammen," sa Safavi-Naeini. "Även om vi hade en viss intuition att vi skulle få kamliknande beteenden, försökte vi inte göra exakt den här typen av kam, och det tog oss några månader att utveckla simuleringarna och teorin som förklarade dess huvudsakliga egenskaper."
För ytterligare insikt om deras överpresterande enhet vände sig forskarna till Martin Fejer, J. G. Jackson och C. J. Wood professor i fysik och en professor i tillämpad fysik vid Stanford. Tillsammans med andra kollegor på Stanford har Fejer hjälpt till att utveckla modern tunnfilmslitiumniobatfotonikteknik och förståelsen av materialets kristallegenskaper.
Fejer, som också är medförfattare till studien, gjorde nyckelkopplingen mellan de fysikaliska principerna bakom mikrokammen och idéer som diskuterades i vetenskaplig litteratur från 1970-talet, särskilt begrepp som banat väg för Stephen Harris, emeritusprofessor i tillämpad fysik och elektroteknik vid Stanford.
De nya mikrokammarna, med ytterligare finslipning, bör vara lätta att tillverka på konventionella mikrochipgjuterier med många praktiska tillämpningar som avkänning, spektroskopi, medicinsk diagnostik, fiberoptisk kommunikation och bärbara hälsoövervakningsanordningar.
"Vårt mikrokamchip kan sättas in i vad som helst, med storleken på den övergripande enheten beroende på storleken på batteriet," sa Stokowski. "Tekniken vi har visat skulle kunna gå in i en personlig enhet med låg effekt, storleken på en telefon eller ännu mindre, och tjäna alla möjliga användbara syften."
Mer information: Amir Safavi-Naeini, integrerad frekvensmodulerad optisk parametrisk oscillator, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07071-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07071-2
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Stanford University
