Wie ein Stimmtrainer, der den Oktavbereich eines Opernsängers erweitert, haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) den Frequenzbereich, über den ein Gerät im Chipmaßstab die Schwingungen erzeugen und messen kann, um fast zwei Drittel erweitert Lichtwellen mit exquisiter Genauigkeit. Die erweiterte Reichweite des Systems, bekannt als Mikroring-Resonator-Frequenzkamm oder Mikrokamm, könnte zu besseren Sensoren für Treibhausgase führen und möglicherweise auch globale Navigationssysteme verbessern.
Gregory Moille und seine Kollegen am NIST, darunter Teamleiter Kartik Srinivasan, zusammen mit Mitarbeitern des Joint Quantum Institute (einer Forschungspartnerschaft zwischen NIST und der University of Maryland) und der University of Maryland, berichteten in der Ausgabe vom 14. Dezember 2021 über ihre Ergebnisse Naturkommunikation.
Ein Frequenzkamm wirkt wie die optische Version eines Lineals. So wie ein Lineal, das in Hunderte von Häkchen in einem bekannten Abstand unterteilt ist, ein Objekt unbekannter Länge misst, weist ein Frequenzkamm Hunderte verschiedener ultrascharfer, gleichmäßig verteilter Frequenzspitzen auf, um Licht einer unbekannten Frequenz präzise zu messen (Das Werkzeug ist so benannt, weil die Frequenzspitzen den Zähnen eines Kamms ähneln.)
In den letzten zwei Jahrzehnten haben Wissenschaftler des NIST und anderer Forschungseinrichtungen gezeigt, dass Mikrokämme eine wichtige Rolle beim Bau hochpräziser optischer Uhren, der Kalibrierung von Detektoren, die Sternenlicht analysieren, um nach Planeten jenseits des Sonnensystems zu suchen, und der Erkennung von Spurengasen in der Umwelt spielen können .
Eine Art von Mikrokamm, die am NIST ausführlich untersucht wurde, besteht aus einem rechteckigen Miniatur-Wellenleiter – einem Kanal, der Lichtwellen begrenzt –, der mit einem ringförmigen Resonator mit einem Durchmesser von etwa 50 Mikrometern (Millionstel Meter) gekoppelt ist. In den Wellenleiter eingekoppeltes Laserlicht tritt in den Mikroringresonator ein und rast um den Ring herum.
Normalerweise beginnt das umlaufende Licht in der Amplitude zu variieren und kann verschiedene Muster bilden. Durch sorgfältige Einstellung des Lasers bildet das Licht im Mikroring jedoch ein Soliton – einen einzelnen Wellenimpuls, der seine Form beibehält, während er sich um den Ring bewegt.
Durch die Verwendung von zwei Lasern anstelle von einem haben NIST-Forscher eine Methode entwickelt, um die Reichweite des von einem Mikroringresonator erzeugten Frequenzkamms nahezu zu verdoppeln. Bildnachweis: S. Kelley/NIST
Jedes Mal, wenn das Soliton einen Rundweg um den Mikroring zurücklegt, spaltet sich ein Teil des Impulses ab und tritt in den Wellenleiter ein. Bald füllt eine ganze Folge von Wellenimpulsen den Wellenleiter, wobei jede Welle zeitlich von ihrem Nachbarn durch das gleiche feste Intervall getrennt ist – die Zeit, die der Soliton brauchte, um eine Runde um den Mikroring zu absolvieren. Die Folge von Wellenimpulsen im Wellenleiter entspricht einem einzelnen Satz gleichmäßig beabstandeter Frequenzen und bildet die Zähne des Frequenzkamms. Die Anzahl und Amplitude der Zähne werden in erster Linie durch die Größe und Zusammensetzung des Rings sowie die Leistung und Frequenz des Lasers bestimmt.
Kürzlich fragten sich die NIST-Wissenschaftler, was passieren würde, wenn sie einen Mikrokamm mit zwei Lasern herstellen würden, von denen jeder eine andere Lichtfrequenz erzeugt, als nur mit einem. Sie fanden heraus, dass der zweite Laser durch eine komplexe Reihe von Wechselwirkungen mit dem im Mikroringresonator zirkulierenden Solitonenlicht zwei neue Zahnsätze oder gleichmäßig beabstandete Frequenzen induzierte, die Nachbildungen des ursprünglichen Zahnsatzes sind, aber zu höheren und niedrigeren Frequenzen verschoben wurden . Der niedrigere Frequenzsatz liegt im infraroten Teil des Spektrums, während der andere bei viel höheren Frequenzen nahe dem sichtbaren Licht liegt. Der Kamm behält auch bei Frequenzen im nahen Infrarot seine ursprünglichen Zähne.
Die erweiterte Reichweite des Mikrokamms ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen bei unterschiedlichen Frequenzen. Das System ist das erste Mal, dass Forscher einen stabilen Mikrokamm hergestellt haben, der einen so breiten Bereich von Lichtfrequenzen miteinander verbindet, sagte Srinivasan.
Darüber hinaus entdeckte das Team, dass durch Variieren der Frequenz des zweiten Lasers die neuen Zahnsätze unabhängig von der Form oder Zusammensetzung des Mikroringresonators leicht zu höheren oder niedrigeren Frequenzen verschoben werden konnten. Das macht das System extrem vielseitig.
Das Kunststück könnte es einem einzelnen Mikrokamm ermöglichen, die charakteristischen Schwingungen von Atomen und Molekülen, einschließlich Schadstoffen, zu messen, die Licht über einen breiten Frequenzbereich sowohl emittieren als auch absorbieren, wodurch die Empfindlichkeit von Detektoren verbessert wird.
Die breitere Abdeckung könnte auch nachfolgende Bemühungen unterstützen, den Mikrokamm zu stabilisieren, so dass seine Häkchen fest bleiben und nicht leicht von ihrem ursprünglichen Farbsatz abweichen. Die verbesserte Stabilität könnte die Entwicklung tragbarer optischer Atomuhren vorantreiben, die genau genug sind, um außerhalb des Labors eingesetzt zu werden, was zu genaueren und präziseren Navigationssystemen führen würde, sagte Moille.
Gregory Moille et al., Ultrabreitband-Kerr-Mikrokamm durch Soliton-Spektraltranslation, Naturkommunikation (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-27469-0