Il logo del NIST come enunciato dal sintetizzatore di frequenza ottica del NIST. Le linee della griglia sono i valori attesi delle frequenze programmate nel dispositivo per questa dimostrazione ei cerchi sono le frequenze misurate. L'asse verticale è la frequenza e l'asse orizzontale è il tempo della misurazione in secondi. Credito:Spencer/NIST
In un anticipo che potrebbe ridurre molte tecnologie di misurazione, scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) e partner hanno dimostrato i primi dispositivi miniaturizzati in grado di generare le frequenze desiderate, o colori, di luce sufficientemente precisa da poter essere ricondotta a uno standard di misurazione internazionale.
I ricercatori hanno combinato un paio di pettini di frequenza, un mini-laser sintonizzabile ed elettronica per creare un sintetizzatore ottico di frequenza. L'anticipo trasferisce la capacità di programmare frequenze ottiche da strumenti da tavolo a tre chip di silicio, pur mantenendo un'elevata accuratezza e precisione.
Proprio come i chip radio e microonde hanno alimentato la rivoluzione dell'elettronica, la miniaturizzazione dei sintetizzatori di frequenza ottica per renderli portatili e adatti alla fabbricazione di volumi elevati dovrebbe potenziare campi come il cronometraggio, comunicazioni, monitoraggio dei gas traccia e astronomia.
Il sintetizzatore prototipo è descritto nella rivista Natura , in un articolo pubblicato online il 25 aprile. I pettini di frequenza sono una tecnologia insignita del premio Nobel sviluppata al NIST e cruciale per gli ultimi orologi atomici sperimentali.
"Nessuno sapeva come fare un sintetizzatore di frequenza ottica utilizzando piccoli chip, Il coautore del NIST Scott Papp ha detto. "Questo è il primo passo avanti per dimostrare che puoi farlo. Fino ad ora, nessuno ha mai usato un pettine di frequenza a scala di chip per fare una metrologia completamente tracciabile secondo uno standard internazionale."
Il progetto è stato guidato dai fisici del NIST a Boulder, Colorado, con un pettine realizzato al California Institute of Technology (Caltech a Pasadena, California) e il secondo chip a pettine realizzato presso il Center for Nanoscale Science and Technology del NIST (a Gaithersburg, Maryland.). L'Università della California a Santa Barbara ha sviluppato un chip laser a semiconduttore programmabile.
Ciascuno dei tre chip è di circa 5 millimetri per 10 millimetri. Con ulteriori progressi nei materiali e nella fabbricazione, i chip saranno probabilmente confezionati insieme da una delle istituzioni partner del NIST, ha detto Papà.
In un pettine di frequenza da tavolo a grandezza naturale, tipicamente assemblato a mano da componenti in metallo e vetro, la luce laser circola all'interno di una cavità ottica, un set specializzato di specchi, per produrre una serie di linee equidistanti che assomigli a un pettine in cui ogni "dente" è un colore individuale. Nelle versioni basate su chip, le cavità sono piatte, circuiti rotondi fabbricati su silicio utilizzando tecniche automatizzate simili a quelle utilizzate nella produzione di chip per computer.
Il nuovo sintetizzatore ottico utilizza solo 250 milliwatt (millesimi di watt) di potenza ottica su chip, molto meno di un classico, pettine di frequenza a grandezza naturale.
L'uscita del sintetizzatore è il laser programmabile, le cui oscillazioni dell'onda luminosa fungono da tic dell'orologio ottico riconducibili al secondo SI, lo standard internazionale del tempo basato sulle vibrazioni a microonde dell'atomo di cesio. Il laser in uscita è guidato dai due pettini di frequenza, che forniscono collegamenti sincronizzati tra microonde e frequenze ottiche.
Foto composita del banco di prova per il sintetizzatore di frequenza ottico basato su chip del NIST. Un componente fondamentale, Il pettine di frequenza del NIST su un chip, è montato nell'allestimento in basso a sinistra. Un esempio di output del sintetizzatore programmabile, uno spettro di frequenze ottiche, è mostrato al centro-destra. I componenti del sintetizzatore forniscono un'ulteriore integrazione in pacchetti facilmente trasportabili. Attestazione:Burrus/NIST
Ogni pettine è creato dalla luce emessa da un separato, laser a "pompa" monocolore. Il pettine NIST ha un diametro di 40 micrometri (milionesimi di metro). Questo pettine ha un'ampia distanza tra i denti ma può calibrarsi su un'ottava, il che, come nella musica, si riferisce all'intervallo tra due note che sono la metà o il doppio della frequenza l'una dell'altra. Questa funzione calibra il sintetizzatore.
La pista è una guida d'onda personalizzata in nitruro di silicio, che offre proprietà speciali che ampliano lo spettro della luce, concentrare la luce in una piccola area per aumentare l'intensità, può essere sintonizzato attraverso cambiamenti nella geometria, e possono essere realizzati come chip di computer mediante tecniche litografiche.
Il pettine Caltech è fisicamente più grande, circa 100 volte più largo e fatto di silice fusa. Ma i denti di questo pettine sono molto più fini e si estendono su una gamma di lunghezze d'onda molto più ristretta, nella banda di 1550 nanometri utilizzata per le telecomunicazioni, il fulcro della dimostrazione del sintetizzatore. La distanza tra i denti è una frequenza delle microonde che può essere misurata e controllata rispetto al secondo SI. Attraverso un processo di conversione matematica digitale, questo pettine a denti fini identifica stabile, frequenze ottiche accurate all'interno della spaziatura più ampia del pettine NIST calibrato.
Così, i due pettini funzionano come moltiplicatori di frequenza per convertire i tic di clock dal dominio delle microonde al dominio ottico mantenendo precisione e stabilità.
Il team di ricerca ha dimostrato il sistema sintetizzando una gamma di frequenze ottiche nella banda delle telecomunicazioni e caratterizzando le prestazioni con un pettine di frequenza separato derivato dallo stesso clock. I ricercatori hanno dimostrato l'architettura del sistema, verificata l'accuratezza della sintesi di frequenza, e ha confermato che il sintetizzatore offriva una sincronizzazione stabile tra l'orologio e l'uscita del pettine.
