När vi senast kollade in med Caltechs Kerry Vahala för tre år sedan, hade hans labb nyligen rapporterat utvecklingen av en ny optisk enhet som kallas en nyckelfärdig frekvensmikrokam som har tillämpningar inom digital kommunikation, precisionstid, spektroskopi och till och med astronomi.

Denna enhet, tillverkad på en kiselskiva, tar ingångslaserljus av en frekvens och omvandlar det till en jämnt fördelad uppsättning av många distinkta frekvenser som bildar ett tåg av pulser vars längd kan vara så kort som 100 femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund). (Kammen i namnet kommer från att frekvenserna är åtskilda som tänderna på en hårkam.)

Nu har Vahala, Caltechs Ted och Ginger Jenkins professor i informationsvetenskap och teknik och tillämpad fysik och verkställande direktör för tillämpad fysik och materialvetenskap, tillsammans med medlemmar av hans forskargrupp och gruppen av John Bowers vid UC Santa Barbara, gjort ett genombrott i hur de korta pulserna bildas i ett viktigt nytt material som kallas ultralågförlust kiselnitrid (ULL-nitrid), en förening som bildas av kisel och kväve. Kiselnitriden är förberedd för att vara extremt ren och avsatt i en tunn film.

I princip skulle kortpulsade mikrokamanordningar gjorda av detta material kräva mycket låg effekt för att fungera. Tyvärr kan korta ljuspulser (kallade solitoner) inte genereras korrekt i detta material på grund av en egenskap som kallas dispersion, vilket gör att ljus eller andra elektromagnetiska vågor färdas med olika hastigheter, beroende på deras frekvens. ULL har vad som kallas normal dispersion, och detta förhindrar vågledare gjorda av ULL-nitrid från att stödja de korta pulser som krävs för mikrokamdrift.

I en tidning som visas i Nature Photonics , diskuterar forskarna sin utveckling av den nya mikrokammen, som övervinner de inneboende optiska begränsningarna hos ULL-nitrid genom att generera pulser i par. Detta är en betydande utveckling eftersom ULL-nitrid skapas med samma teknik som används för tillverkning av datorchips. Denna typ av tillverkningsteknik innebär att dessa mikrokammar en dag skulle kunna integreras i en mängd olika handhållna enheter som liknar smartphones till sin form.

Det mest utmärkande för en vanlig mikrokam är en liten optisk slinga som ser ut lite som en liten racerbana. Under drift bildas solitonerna automatiskt och cirkulerar runt den.

"Men när den här slingan är gjord av ULL-nitrid, destabiliserar dispersionen solitonpulserna", säger medförfattaren Zhiquan Yuan, en doktorand i tillämpad fysik.

Föreställ dig slingan som en racerbana med bilar. Om vissa bilar färdas snabbare och andra färdas långsammare, kommer de att spridas ut när de cirklar banan istället för att stanna som en tät packning. På liknande sätt innebär den normala spridningen av ULL att ljuspulser sprids ut i mikrokamvågledarna och mikrokammen slutar att fungera.

Lösningen som teamet tog fram var att skapa flera racerbanor, para ihop dem så att de ser ut lite som en åtta. I mitten av den där 8:an går de två spåren parallellt med varandra med bara ett litet mellanrum.

Om vi ​​fortsätter med racerbanan, skulle det här bli som två banor som delar en direkt. När bilarna från varje spår konvergerar på den delade sektionen stöter de på något som liknar en trafikstockning. Precis som två körfält av trafik som smälter samman till ett på en motorväg tvingar bilar att sakta ner, tvingar den sammanfogade delen av de två mikrokammarna de parade laserpulserna att samlas. Denna hophopning motverkar pulsernas tendens att spridas ut och gör att mikrokammarna fungerar korrekt.

"I själva verket motverkar detta den normala spridningen och ger det övergripande sammansatta systemet motsvarigheten till avvikande spridning", säger doktorand och medförfattare Maodong Gao.

Idén sträcker sig när man lägger till ännu fler racerbanor, och teamet har visat hur tre racerbanor också kommer att fungera genom att skapa två uppsättningar pulspar. Vahala tror att fenomenet kommer att fortsätta att fungera även med många kopplade racerbanor (mikrokomber), och därigenom erbjuda ett sätt att skapa stora fotoniska kretsarrayer för solitonpulserna.

Som nämnts ovan är dessa ULL-mikrokammar tillverkade med samma utrustning som används för att göra datorchips baserade på komplementär metall-oxid-halvledarteknologi (CMOS). Bowers, en professor i el- och datorteknik, samarbetade i forskningen och noterar att "Tillverkningsskalbarheten av CMOS-processen innebär att det nu blir enklare och mer ekonomiskt att tillverka de kortpulsade mikrokammarna och integrera dem i befintliga teknologier och applikationer ."

Beträffande dessa applikationer säger Vahala "en kam är som en schweizisk armékniv för optik. Den har många olika funktioner, och det är därför den är ett så kraftfullt verktyg."

Uppsatsen som beskriver forskningen, "Soliton pulspar vid flera färger i normala dispersionsmikroresonatorer", visas i novembernumret av Nature Photonics .

Mer information: Zhiquan Yuan et al., Soliton-pulspar i flera färger i mikroresonatorer med normal dispersion, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01257-2

Journalinformation: Naturfotonik

Tillhandahålls av California Institute of Technology