Un nuovo pettine di frequenza su chip combina un risonatore accoppiato con un pettine di frequenza elettro-ottico per migliorare l'efficienza dei pettini di frequenza e migliorare la larghezza di banda. Credito:Yiqing Pei/Harvard SEAS
I pettini a frequenza laser su chip, laser che emettono più frequenze o colori di luce separati simultaneamente come il dente su un pettine, sono una tecnologia promettente per una vasta gamma di applicazioni, tra cui monitoraggio ambientale, informatica ottica, astronomia e metrologia. Tuttavia, i pettini di frequenza su chip sono ancora limitati da un problema serio:non sono sempre efficienti. Esistono diversi modi per mitigare il problema dell'efficienza, ma tutti soffrono di compromessi. Ad esempio, i pettini possono avere un'elevata efficienza o un'ampia larghezza di banda, ma non entrambi. L'incapacità di progettare un pettine di frequenza laser su chip che sia sia efficiente che ampio ha ostacolato i ricercatori per anni e ostacolato la diffusa commercializzazione di questi dispositivi.
Ora, un team della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ha sviluppato un pettine di frequenza elettro-ottico che è 100 volte più efficiente delle precedenti versioni all'avanguardia e ha più del doppio la loro larghezza di banda.
"Il nostro dispositivo apre la strada a generatori a pettine di frequenza ottici pratici e apre la porta a nuove applicazioni", ha affermato Marko Lončar, professore di ingegneria elettrica a Tiantsai Lin presso SEAS e autore senior dello studio. "Fornisce anche una piattaforma per studiare nuove aree di fisica ottica."
La ricerca è pubblicata su Nature Photonics .
Questo progresso si basa sulla ricerca precedente di Lončar e del suo team.
Nel 2019, Lončar e il suo laboratorio hanno dimostrato il primo pettine di frequenza stabile su chip che potrebbe essere controllato con le microonde. Questo cosiddetto pettine di frequenza elettro-ottico, costruito sulla piattaforma al niobato di litio sperimentata dal laboratorio di Lončar, copriva l'intera larghezza di banda delle telecomunicazioni ma era limitata nella sua efficienza. Nel 2021, il team ha sviluppato un dispositivo a risonatori accoppiati per controllare il flusso di luce e li ha utilizzati per dimostrare i variatori di frequenza su chip, un dispositivo in grado di cambiare il colore della luce con un'efficienza quasi del 100%.
L'ultima ricerca applica i due concetti per affrontare la sfida dei pettini di frequenza elettro-ottici basati su risonatore:compromesso tra efficienza e larghezza di banda.
"Abbiamo dimostrato che combinando questi due approcci - il risuonatore accoppiato con il pettine di frequenza elettro-ottico - potremmo migliorare molto l'efficienza senza sacrificare la larghezza di banda. In effetti, abbiamo effettivamente migliorato la larghezza di banda", ha affermato Yaowen Hu, assistente di ricerca presso SEAS e primo autore dell'articolo.
"Abbiamo scoperto che quando si migliorano le prestazioni della sorgente del pettine a questo livello, il dispositivo inizia a funzionare in un regime completamente nuovo che combina il processo di generazione del pettine di frequenza elettro-ottico con l'approccio più tradizionale di un pettine di frequenza Kerr", ha affermato Mengjie Yu, un ex borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore del documento.
Yu è attualmente Assistant Professor presso la University of Southern California.
Questo nuovo pettine può generare impulsi di femtosecondi ultraveloci ad alta potenza. Insieme all'elevata efficienza e alla banda larga, questo dispositivo può essere utile per applicazioni in astronomia, calcolo ottico, misurazione della portata e metrologia ottica.
La ricerca è stata co-autrice della ricerca da Brandon Buscaino, Neil Sinclair, Di Zhu, Rebecca Cheng, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Mian Zhang e Joseph M. Kahn. + Esplora ulteriormente
