I laser svolgono un ruolo vitale in tutto, dalle moderne comunicazioni e connettività alla biomedicina e alla produzione. Molte applicazioni, però, richiedono laser in grado di emettere più frequenze, colori della luce, simultaneamente, ciascuno separato con precisione come il dente su un pettine.

I pettini a frequenza ottica sono utilizzati per il monitoraggio ambientale per rilevare la presenza di molecole, come le tossine; in astronomia per la ricerca di esopianeti; in metrologia e cronometraggio di precisione. Però, sono rimasti ingombranti e costosi, che ne limitava le applicazioni. Così, i ricercatori hanno iniziato a esplorare come miniaturizzare queste fonti di luce e integrarle su un chip per affrontare una gamma più ampia di applicazioni, comprese le telecomunicazioni, sintesi a microonde e range ottico. Ma così lontano, i pettini di frequenza su chip hanno lottato con l'efficienza, stabilità e controllabilità.

Ora, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e della Stanford University hanno sviluppato un sistema integrato, pettine di frequenza su chip efficiente, stabile e altamente controllabile con le microonde.

La ricerca è pubblicata su Natura .

"Nelle comunicazioni ottiche, se vuoi inviare maggiori informazioni attraverso un piccolo, cavo in fibra ottica, è necessario disporre di diversi colori di luce che possono essere controllati in modo indipendente, " ha detto Marko Loncar, il Tiantsai Lin Professor di Ingegneria Elettrica presso SEAS e uno degli autori senior dello studio. "Ciò significa che hai bisogno di un centinaio di laser separati o di un pettine di frequenza. Abbiamo sviluppato un pettine di frequenza che è un elegante, efficiente dal punto di vista energetico e integrato per risolvere questo problema."

Loncar e il suo team hanno sviluppato il pettine di frequenza utilizzando niobite di litio, un materiale noto per le sue proprietà elettro-ottiche, il che significa che può convertire in modo efficiente i segnali elettronici in segnali ottici. Grazie alle forti proprietà elettro-ottiche del niobito di litio, il pettine di frequenza del team copre l'intera larghezza di banda delle telecomunicazioni e ha notevolmente migliorato la sintonizzabilità.

"I precedenti pettini di frequenza sul chip ci davano solo una manopola di sintonia, " ha detto il co-primo autore Mian Zhang, ora CEO di HyperLight e precedentemente ricercatore post-dottorato presso SEAS. "È come una TV in cui il pulsante del canale e il pulsante del volume sono gli stessi. Se vuoi cambiare canale, finisci per cambiare anche il volume. Utilizzando l'effetto elettro-ottico del niobato di litio, abbiamo effettivamente separato queste funzionalità e ora abbiamo un controllo indipendente su di esse."

Ciò è stato ottenuto utilizzando segnali a microonde, consentendo le proprietà del pettine, compresa la larghezza di banda, la distanza tra i denti, l'altezza delle linee e quali frequenze sono attive e disattivate, da sintonizzare indipendentemente.

"Ora, possiamo controllare le proprietà del pettine a nostro piacimento abbastanza semplicemente con le microonde, " ha detto Loncar. "È un altro strumento importante nella cassetta degli attrezzi ottici".

"Questi pettini di frequenza compatti sono particolarmente promettenti come sorgenti luminose per la comunicazione ottica nei data center, " ha detto Joseph Kahn, Professore di Ingegneria Elettrica a Stanford e l'altro autore senior dello studio. "In un data center, letteralmente un edificio delle dimensioni di un magazzino contenente migliaia di computer, i collegamenti ottici formano una rete che interconnette tutti i computer in modo che possano lavorare insieme su enormi attività di elaborazione. Un pettine di frequenza, fornendo molti diversi colori di luce, può consentire a molti computer di essere interconnessi e scambiare enormi quantità di dati, soddisfare le esigenze future dei data center e del cloud computing.

L'Harvard Office of Technology Development ha protetto la proprietà intellettuale relativa a questo progetto. La ricerca è stata supportata anche da Physical Sciences &Engineering Accelerator di OTD, che fornisce finanziamenti traslazionali per progetti di ricerca che mostrano un potenziale di impatto commerciale significativo.