Gli scienziati dell'EPFL hanno trovato un modo per miniaturizzare i pettini di frequenza, realizzando un nuovo passo verso la miniaturizzazione di tali strumenti. Il loro dispositivo può misurare le oscillazioni della luce con una precisione di 12 cifre.

Un compatto, strumento di precisione per il conteggio e il tracciamento delle frequenze laser può migliorare gli orologi atomici e i dispositivi di trasmissione dati ottici. Però, le onde luminose oscillano centinaia di trilioni di volte al secondo, una frequenza impossibile da misurare direttamente. Le grandi sorgenti laser pulsate sono tipicamente utilizzate per produrre "pettini di frequenza" che possono collegare il dominio ottico alle frequenze radio e rendere possibile il conteggio delle oscillazioni della luce. Gli scienziati dell'EPFL hanno trovato un modo per miniaturizzare i pettini di frequenza, realizzando un nuovo passo verso la miniaturizzazione di tali strumenti. Il loro dispositivo era in grado di misurare le oscillazioni della luce con una precisione di 12 cifre. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Luce:scienza e applicazioni .

Il laboratorio di Tobias J. Kippenberg all'EPFL, in un progetto guidato da Victor Brasch ed Erwan Lucas, creato quello che viene chiamato un "pettine di frequenza ottica autoreferenziale". Si tratta essenzialmente di una serie di righe spettrali densamente spaziate la cui spaziatura è identica e nota. Perché sono così ben definiti, i pettini di frequenza ottici possono essere utilizzati come "righello" per misurare la frequenza - o il colore - di qualsiasi raggio laser. Confrontando un colore sconosciuto con questo righello, è possibile calcolarne la frequenza. Però, questo implica un passaggio critico chiamato "autoreferenzialità", un metodo che determina esattamente la posizione di ogni singolo segno di spunta del righello di frequenza, ma richiede un righello molto lungo - un'ampia gamma spettrale, come dicono gli scienziati, che è difficile da ottenere.

Sebbene i pettini a frequenza ottica abbiano valso ai loro inventori il premio Nobel per la fisica nel 2005, richiedevano ancora configurazioni ottiche ingombranti. Il laboratorio del Prof. Kippenberg ha mostrato nel 2007 che i pettini di frequenza ottica possono essere creati utilizzando minuscoli dispositivi chiamati "microrisonatori ottici":strutture microscopiche a forma di anello realizzate con nitruro di silicio molto fine che misurano da pochi millimetri a poche decine di micron di diametro. Queste strutture possono intrappolare una luce laser continua e convertirla in impulsi ultracorti – solitoni – grazie alle speciali proprietà non lineari del dispositivo. I solitoni viaggiano intorno al microrisonatore 200 miliardi di volte al secondo e l'uscita pulsata dal microrisonatore crea il pettine di frequenza ottica.

L'anno scorso, il gruppo ha risolto una sfida eccezionale, dimostrando che un attento controllo dei parametri del microrisonatore, in grado di generare uno spettro di frequenze molto ampio direttamente sul chip. A questo punto, le frequenze generate si estendono per oltre due terzi di ottava rispetto alla frequenza del laser in arrivo (un'ottava si riferisce al doppio o alla metà della frequenza). In combinazione con un sistema di trasferimento laser, basato su cristalli non lineari, l'approccio del team ha consentito l'autoreferenzialità, eliminando la necessità di ingombranti, sistemi esterni tradizionalmente utilizzati per l'ampliamento della frequenza.

Con questo, i ricercatori hanno potuto dimostrare che il loro pettine di frequenza ottico può essere utilizzato per le applicazioni di misurazione più precise:hanno misurato la frequenza di un laser utilizzando la loro tecnica e un tradizionale sistema di pettini di frequenza e hanno dimostrato che i due risultati concordavano su 12 cifre.

La tecnologia è suscettibile di integrazione sia con elementi fotonici che con microchip di silicio. La creazione di dispositivi che forniscono un collegamento da RF a ottico su un chip può catalizzare un'ampia varietà di applicazioni come quelle integrate, orologi atomici e su chip, e potrebbe contribuire a rendere onnipresente la metrologia della frequenza ottica.