On-Chip-Laserfrequenzkämme – Laser, die mehrere Frequenzen oder Lichtfarben gleichzeitig emittieren, die wie der Zahn eines Kamms getrennt sind – sind eine vielversprechende Technologie für eine Reihe von Anwendungen, darunter Umweltüberwachung, optische Computer, Astronomie und Metrologie. On-Chip-Frequenzkämme sind jedoch immer noch durch ein ernstes Problem begrenzt – sie sind nicht immer effizient. Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Effizienzproblem zu entschärfen, aber alle leiden unter Kompromissen. Zum Beispiel können Kämme entweder einen hohen Wirkungsgrad oder eine große Bandbreite haben, aber nicht beides. Die Unfähigkeit, einen sowohl effizienten als auch breiten On-Chip-Laserfrequenzkamm zu entwickeln, hat Forscher jahrelang behindert und die weit verbreitete Kommerzialisierung dieser Geräte behindert.
Jetzt hat ein Team der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) einen elektrooptischen Frequenzkamm entwickelt, der 100-mal effizienter ist als frühere hochmoderne Versionen und mehr als doppelt so effizient ist ihre Bandbreite.
„Unser Gerät ebnet den Weg für praktische optische Frequenzkammgeneratoren und öffnet die Tür für neue Anwendungen“, sagte Marko Lončar, Tiantsai Lin-Professor für Elektrotechnik am SEAS und leitender Autor der Studie. „Es bietet auch eine Plattform, um neue Bereiche zu untersuchen der optischen Physik.“
Die Forschung ist veröffentlicht in Naturphotonik.
Dieser Fortschritt baut auf früheren Forschungen von Lončar und seinem Team auf.
Im Jahr 2019 demonstrierten Lončar und sein Labor den ersten stabilen On-Chip-Frequenzkamm, der mit Mikrowellen gesteuert werden konnte. Dieser sogenannte elektrooptische Frequenzkamm, der auf der von Lončars Labor entwickelten Lithiumniobat-Plattform aufgebaut war, überspannte die gesamte Telekommunikationsbandbreite, war jedoch in seiner Effizienz begrenzt. Im Jahr 2021 entwickelte das Team ein gekoppeltes Resonatorgerät zur Steuerung des Lichtflusses und nutzte es zur Demonstration von On-Chip-Frequenzschiebern – ein Gerät, das die Lichtfarbe mit nahezu 100 % Effizienz ändern kann.
Die neueste Forschung wendet die beiden Konzepte an, um die Herausforderung bei resonatorbasierten elektrooptischen Frequenzkämmen anzugehen: Effizienz-Bandbreiten-Kompromiss.
„Wir haben gezeigt, dass wir durch die Kombination dieser beiden Ansätze – des gekoppelten Resonators mit dem elektrooptischen Frequenzkamm – die Effizienz erheblich verbessern können, ohne die Bandbreite zu opfern. Tatsächlich haben wir die Bandbreite sogar verbessert“, sagte Yaowen Hu, Forschungsassistent bei SEAS und Erstautor der Arbeit.
„Wir haben festgestellt, dass, wenn Sie die Leistung der Kammquelle auf dieses Niveau verbessern, das Gerät in einem völlig neuen Regime zu arbeiten beginnt, das den Prozess der elektrooptischen Frequenzkammerzeugung mit dem traditionelleren Ansatz eines Kerr-Frequenzkamms kombiniert“, sagte er Mengjie Yu, ein ehemaliger Postdoktorand bei SEAS und Co-Erstautor der Arbeit.
Yu ist derzeit Assistenzprofessor an der University of Southern California.
Dieser neue Kamm kann ultraschnelle Femtosekundenpulse mit hoher Leistung erzeugen. Zusammen mit der hohen Effizienz und Breitbandigkeit kann dieses Gerät für Anwendungen in der Astronomie, der optischen Datenverarbeitung, der Entfernungsmessung und der optischen Messtechnik nützlich sein.
Die Studie wurde von Brandon Buscaino, Neil Sinclair, Di Zhu, Rebecca Cheng, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Mian Zhang und Joseph M. Kahn mitverfasst.
Yaowen Hu et al, Hocheffiziente und breitbandige elektrooptische On-Chip-Frequenzkammgeneratoren, Naturphotonik (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01059-y