I pettini di frequenza stanno diventando una delle grandi tecnologie abilitanti del 21° secolo. Orologi atomici di alta precisione, e la spettroscopia ad alta precisione sono solo due tecnologie che hanno beneficiato dello sviluppo di pettini di frequenza ad alta precisione. Però, le sorgenti a pettine di frequenza originali richiedevano una stanza piena di apparecchiature. E si scopre che se suggerisci che una stanza piena di apparecchiature delicate è perfetta per un'applicazione commerciale, l'ingegnere di sviluppo si dirige dritto verso l'uscita più vicina.

Questi svantaggi sarebbero risolti realizzando dispositivi basati su chip che siano effettivamente abbastanza robusti da resistere ai rigori dell'uso quotidiano. Fare quello, gli scienziati devono bilanciare le proprietà dei materiali con il comportamento della luce in una guida d'onda. Questo equilibrio è più facile da progettare in vetro, mentre per le applicazioni e l'integrazione con i dispositivi esistenti, sarebbe meglio usare il silicone.

È difficile realizzare pettini a frequenza molto ampia da guide d'onda in silicio, ma un'intelligente ingegneria delle guide d'onda potrebbe rendere questo compito un po' più semplice. Zhang e colleghi, informare Fotonica avanzata , hanno mostrato un modo per creare una guida d'onda a indice graduato che consente di raddoppiare la larghezza di un pettine di frequenza (rispetto a una guida d'onda normale).

Allineamento del picco per un pettine più ampio?

Un pettine di frequenza è uno spettro luminoso che consiste di molte frequenze molto ben definite e equidistanti. Uno spettro di potenza sembra piuttosto un pettine, da qui il nome.

La generazione del pettine di frequenza è un delicato equilibrio tra le proprietà del materiale che consentono alla luce di generare nuovi colori della luce (denominata non linearità ottica), la configurazione del percorso che la luce segue (il risonatore ottico), e la dispersione (come la velocità della luce varia con la lunghezza d'onda nel materiale). L'ultimo elemento, dispersione, di solito è l'assassino, ed è qui che si concentra il lavoro di Zhang e colleghi. Per generare un pettine di frequenza molto ampio, i colori che compongono il pettine devono stare tutti in fase tra loro. In concreto:se due onde in un punto hanno le punte allineate, poi ad un certo punto più avanti nello spazio e nel tempo, quei picchi dovrebbero ancora allinearsi. Ma, ordinariamente, questo non succede mai, e le vette scivolano l'una accanto all'altra, impedendo la generazione di nuove frequenze.

Ingegneria in soccorso

Per compensare la dispersione del materiale, i ricercatori spesso si rivolgono all'ingegneria delle guide d'onda. Poiché le guide d'onda sono fatte di materiali, hanno dispersione, e il confinamento della stessa guida d'onda introduce un altro tipo di dispersione. Questa dispersione dipende dalla forma della guida d'onda, le dimensioni, così come i materiali utilizzati. Ciò consente agli ingegneri di contrastare la dispersione del materiale attraverso il design della guida d'onda.

Ma, questo è un duro lavoro nel silicio. Il nucleo di silicio ha un indice di rifrazione elevato rispetto al rivestimento in vetro. La grande differenza tra i due crea una forte dispersione che sovracompensa la dispersione del materiale.

L'intuizione di Zhang e colleghi è che l'interfaccia tra il rivestimento in vetro e il nucleo di silicio non deve essere nitida. Hanno progettato una guida d'onda che ha un nucleo di silicio con una struttura a lisca di pesce che si estende verso l'esterno nel rivestimento in vetro. L'indice di rifrazione effettivo nella regione mista è la media del vetro e del silicio, che passa gradualmente dal silicio al vetro:una guida d'onda a indice graduato.

Nell'indice graduato, i colori rossi si espandono per occupare un'area più ampia della guida d'onda, mentre i colori più blu sono più ristretti. L'effetto netto è che le diverse lunghezze d'onda si comportano come se viaggiassero in guide d'onda di diversa larghezza, mentre stanno effettivamente viaggiando insieme nella stessa guida d'onda. I ricercatori si riferiscono a questo effetto come un confine autoadattativo. Hanno esplorato diverse configurazioni per la struttura a lisca di pesce. Ciascuna configurazione aumentava l'intervallo di lunghezze d'onda entro il quale la dispersione era piccola.

Per confermare che le loro guide d'onda a indice graduato porterebbero a pettini di frequenza migliori, il team ha modellato la generazione del pettine di frequenza in guide d'onda a indice standard e graduato. Hanno mostrato che lo spettro di frequenza è stato esteso da circa 20 THz a circa 44 THz.

Accendi la luce

Finora i ricercatori hanno solo calcolato e modellato le loro strutture. Però, le strutture proposte sono state tutte scelte pensando alla fabbricazione, quindi una volta che avranno i loro costumi da coniglio, i dispositivi di prova dovrebbero essere in arrivo. Quindi i pettini a frequenza di silicio possono davvero fare il loro lavoro. Un buon esempio:il silicio è trasparente su un'ampia gamma di infrarossi, che è anche l'intervallo di lunghezze d'onda necessario per l'identificazione spettroscopica delle molecole. Un pettine di frequenza basato su chip consentirà spettrometri compatti ad alta precisione e alta sensibilità.