I ricercatori di Stanford hanno presentato un nuovo tipo di pettine di frequenza, un dispositivo di misurazione ad alta precisione, innovativo e piccolo, ultra efficiente dal punto di vista energetico ed eccezionalmente accurato. Grazie al continuo sviluppo, questo rivoluzionario "microcomb", descritto in dettaglio in uno studio pubblicato il 7 marzo su Nature —potrebbe essere la base per l'adozione sul mercato di massa dei dispositivi elettronici di tutti i giorni.
I pettini di frequenza sono laser specializzati che generano linee di luce uniformemente distanziate simili ai denti di un pettine o, più appropriatamente, ai segni di spunta su un righello. Nel quarto di secolo circa dal loro sviluppo, questi “governanti della luce” hanno rivoluzionato molti tipi di misurazioni ad alta precisione, dalla misurazione del tempo alla rilevazione molecolare tramite spettroscopia. Tuttavia, poiché i pettini di frequenza richiedono apparecchiature ingombranti, costose e assetate di energia, il loro utilizzo è stato in gran parte limitato agli ambienti di laboratorio.
I ricercatori hanno scoperto una soluzione alternativa a questi problemi integrando due diversi approcci per miniaturizzare i pettini di frequenza in un'unica piattaforma semplice e facilmente producibile in stile microchip. Tra le numerose applicazioni che i ricercatori prevedono per la loro versatile tecnologia ci sono potenti dispositivi diagnostici medici portatili e diffusi sensori per il monitoraggio dei gas serra.
"La struttura del nostro pettine di frequenza riunisce i migliori elementi della tecnologia emergente del microcomb in un unico dispositivo", ha affermato Hubert Stokowski, uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Amir Safavi-Naeini e autore principale dello studio. "Possiamo potenzialmente scalare il nostro nuovo microcomb di frequenza per dispositivi compatti, a basso consumo ed economici che possono essere distribuiti praticamente ovunque."
"Siamo molto entusiasti di questa nuova tecnologia a microcomb che abbiamo dimostrato per nuovi tipi di sensori di precisione che sono abbastanza piccoli ed efficienti da poter essere un giorno nel telefono di qualcuno", ha affermato Safavi-Naeini, professore associato presso il Dipartimento di Fisica Applicata. presso la Stanford's School of Humanities and Sciences e autore senior dello studio.
Questo nuovo dispositivo è chiamato oscillatore parametrico ottico modulato in frequenza integrato o FM-OPO.
Il nome complesso dello strumento indica che combina due strategie per creare la gamma di frequenze distinte, o colori della luce, che costituiscono un pettine di frequenza. Una strategia, chiamata oscillazione parametrica ottica, prevede il rimbalzo di raggi di luce laser all'interno di un mezzo cristallino, in cui la luce generata si organizza in impulsi di onde coerenti e stabili.
La seconda strategia è incentrata sull'invio di luce laser in una cavità e quindi sulla modulazione della fase della luce, ottenuta applicando segnali in radiofrequenza al dispositivo, per produrre infine ripetizioni di frequenza che agiscono in modo simile come impulsi luminosi.
Queste due strategie per i microcomb non sono state ampiamente utilizzate perché entrambe presentano degli inconvenienti. Questi problemi includono inefficienza energetica, capacità limitata di regolare i parametri ottici e "larghezza di banda ottica" del pettine non ottimale in cui le linee a pettine svaniscono all'aumentare della distanza dal centro del pettine.
I ricercatori hanno affrontato nuovamente la sfida attraverso il loro lavoro su una piattaforma di circuiti ottici altamente promettente basata su un materiale chiamato niobato di litio a film sottile. Il materiale ha proprietà vantaggiose rispetto al silicio, il materiale standard del settore. Due di queste proprietà utili sono la "non linearità" (consente ai raggi luminosi di diversi colori di interagire tra loro per generare nuovi colori o lunghezze d'onda) e un'ampia gamma di lunghezze d'onda della luce che può attraversarla.
I ricercatori hanno modellato i componenti nel cuore del nuovo pettine di frequenza utilizzando la fotonica integrata del niobato di litio. Queste tecnologie di manipolazione della luce si basano sui progressi nel campo correlato e più consolidato della fotonica del silicio, che prevede la fabbricazione di circuiti integrati ottici ed elettronici su microchip di silicio. In questo modo, sia il niobato di litio che la fotonica del silicio si sono espansi sui semiconduttori dei chip per computer convenzionali, le cui radici risalgono agli anni '50.
"Il niobato di litio ha alcune proprietà che il silicio non ha e senza di esso non avremmo potuto realizzare il nostro dispositivo microcomb", ha affermato Safavi-Naeini.
Successivamente, i ricercatori hanno riunito elementi sia dell'amplificazione parametrica ottica che delle strategie di modulazione di fase. Il team si aspettava alcune caratteristiche prestazionali dal nuovo sistema a pettine di frequenza sui chip al niobato di litio, ma ciò che ha visto si è rivelato molto migliore del previsto.
Nel complesso, il pettine ha prodotto un’uscita continua anziché impulsi luminosi, il che ha consentito ai ricercatori di ridurre la potenza in ingresso richiesta di circa un ordine di grandezza. Il dispositivo ha inoltre prodotto un pettine opportunamente "piatto", il che significa che le linee del pettine più lontane in lunghezza d'onda dal centro dello spettro non sbiadiscono in intensità, offrendo così una maggiore precisione e una più ampia utilità nelle applicazioni di misurazione.
"Siamo rimasti davvero sorpresi da questo pettine", ha detto Safavi-Naeini. "Sebbene avessimo intuito che avremmo ottenuto comportamenti simili a quelli di un pettine, non stavamo realmente cercando di realizzare esattamente questo tipo di pettine e ci sono voluti alcuni mesi per sviluppare le simulazioni e la teoria che ne spiegassero le proprietà principali."
Per ulteriori informazioni sul loro dispositivo dalle prestazioni eccessive, i ricercatori si sono rivolti a Martin Fejer, professore di fisica J. G. Jackson e C. J. Wood e professore di fisica applicata a Stanford. Insieme ad altri colleghi di Stanford, Fejer ha contribuito a far avanzare le moderne tecnologie fotoniche del niobato di litio a film sottile e la comprensione delle proprietà cristalline del materiale.
Fejer, che è anche coautore dello studio, ha stabilito la connessione chiave tra i principi fisici alla base del microcomb e le idee discusse nella letteratura scientifica degli anni '70, in particolare i concetti introdotti da Stephen Harris, professore emerito di fisica applicata e ingegneria elettrica a Stanford.
I nuovi micropettini, con ulteriori perfezionamenti, dovrebbero essere facilmente producibili nelle tradizionali fonderie di microchip con molte applicazioni pratiche come rilevamento, spettroscopia, diagnostica medica, comunicazioni in fibra ottica e dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute.
"Il nostro chip microcomb potrebbe essere inserito in qualsiasi cosa, con le dimensioni del dispositivo complessivo che dipendono dalla dimensione della batteria", ha affermato Stokowski. "La tecnologia che abbiamo dimostrato potrebbe essere inserita in un dispositivo personale a basso consumo, delle dimensioni di un telefono o anche più piccole, e servire a tutti i tipi di scopi utili."
Ulteriori informazioni: Amir Safavi-Naeini, Oscillatore parametrico ottico modulato in frequenza integrato, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07071-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07071-2
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università di Stanford
