I pettini di frequenza ottica sono sorgenti laser il cui spettro è costituito da una serie di discreti, linee di frequenza equidistanti che possono essere utilizzate per misurazioni precise. Negli ultimi due decenni, sono diventati uno strumento importante per applicazioni come la misurazione precisa della distanza, spettroscopia, e telecomunicazioni.

La maggior parte delle sorgenti a pettine di frequenza ottica disponibili in commercio basate su laser mode-lock sono grandi e costose, limitando il loro potenziale per l'uso in grandi volumi e applicazioni portatili. Sebbene le versioni in scala di chip dei pettini a frequenza ottica che utilizzano microrisonatori siano state dimostrate per la prima volta nel 2007, una forma completamente integrata è stata ostacolata da elevate perdite di materiale e complessi meccanismi di eccitazione.

I team di ricerca guidati da Tobias J. Kippenberg all'EPFL e Michael L. Gorodetsky al Russian Quantum Center hanno ora costruito un microcomb solitonico integrato che funziona a una frequenza di ripetizione di 88 GHz utilizzando un diodo laser al fosfuro di indio su scala chip e il nitruro di silicio (Si ₃ n ₄ ) microrisonatore. Con un solo centimetro cubo di grandezza, il dispositivo è il più piccolo del suo genere fino ad oggi.

Il nitruro di silicio (Si ₃ n ₄ ) il microrisonatore è fabbricato utilizzando un processo di rifusione fotonico brevettato Damascene che produce perdite senza precedenti nella fotonica integrata. Queste guide d'onda a bassissima perdita colmano il divario tra il diodo laser basato su chip e i livelli di potenza richiesti per eccitare gli stati solitonici di Kerr dissipativi, che sono alla base della generazione di pettini di frequenza ottica.

Il metodo utilizza laser al fosfuro di indio basati su chip disponibili in commercio rispetto ai moduli laser di massa convenzionali. Nel lavoro riportato, una piccola porzione della luce laser viene riflessa al laser a causa della diffusione intrinseca dal microrisonatore. Questo feedback diretto aiuta sia a stabilizzare il laser che a generare il pettine solitonico. Ciò dimostra che sia il risonatore che il laser possono essere integrati su un singolo chip offrendo un miglioramento unico rispetto alla tecnologia passata.

"C'è un interesse significativo per le sorgenti a pettine di frequenza ottica che sono azionate elettricamente e possono essere completamente integrate fotonicamente per soddisfare le esigenze delle applicazioni di prossima generazione, in particolare LIDAR ed elaborazione delle informazioni nei data-center, " dice Kippenberg. "Questo non rappresenta solo un progresso tecnologico nel campo dei solitoni dissipativi di Kerr, ma fornisce anche una panoramica delle loro dinamiche non lineari, insieme a un rapido feedback dalla cavità."

L'intero sistema può essere contenuto in un volume inferiore a 1 cm3 e può essere controllato elettricamente. "La compattezza, metodo di sintonizzazione facile, il basso costo e il basso tasso di ripetizione rendono questo sistema a microcomb interessante per applicazioni fabbricabili in serie, " dice il dottorando Arslan Sajid, l'autore principale dello studio. "Il suo principale vantaggio è il feedback ottico veloce, che elimina la necessità di un'elettronica attiva o di qualsiasi altro meccanismo di sintonizzazione sul chip."

Gli scienziati ora mirano a dimostrare uno spettrometro integrato e una sorgente a più lunghezze d'onda e a migliorare ulteriormente il processo di fabbricazione e il metodo di integrazione per spingere la sorgente a microcomb a una velocità di ripetizione delle microonde.