Neuer photonischer Chip erzeugt verschachtelten topologischen Frequenzkamm

Auf der Suche nach kompakten und robusten Quellen für mehrfarbiges Laserlicht haben Wissenschaftler den ersten topologischen Frequenzkamm erzeugt. Ihr Ergebnisdas auf einem kleinen Siliziumnitrid-Chip basiert, der mit Hunderten von mikroskopischen Ringen strukturiert ist, erscheint in der Zeitschrift Wissenschaft.

Das Licht eines gewöhnlichen Lasers hat eine einzige, klar definierte Farbe – oder, äquivalent dazu, eine einzige Frequenz. Ein Frequenzkamm ist wie ein aufgemotzter Laser, aber statt einer einzigen Lichtfrequenz strahlt ein Frequenzkamm viele makellose, gleichmäßig verteilte Frequenzspitzen aus. Der gleichmäßige Abstand zwischen den Spitzen ähnelt den Zinken eines Kamms, was dem Frequenzkamm seinen Namen gibt.

Für die Herstellung der ersten Frequenzkämme waren sperrige Geräte erforderlich. In jüngerer Zeit konzentrieren sich Forscher darauf, sie zu integrierten, chipbasierten Plattformen zu miniaturisieren. Trotz großer Fortschritte bei der Verkleinerung der zur Erzeugung von Frequenzkämmen benötigten Geräte haben sich die grundlegenden Ideen nicht geändert. Für die Herstellung eines brauchbaren Frequenzkamms sind eine stabile Lichtquelle und eine Methode erforderlich, um dieses Licht in die Zinken des Kamms zu streuen, indem man optische Verstärkung, Verluste und andere Effekte ausnutzt, die auftreten, wenn die Lichtquelle intensiver wird.

In der neuen Arbeit haben JQI-Fellow Mohammad Hafezi, der auch Minta Martin-Professor für Elektro- und Computertechnik und Physik an der University of Maryland (UMD) ist, JQI-Fellow Kartik Srinivasan, der auch Fellow des National Institute of Standards and Technology ist, und mehrere Kollegen zwei Forschungslinien zu einer neuen Methode zur Erzeugung von Frequenzkämmen kombiniert.

Eine Linie versucht, die Erzeugung von Frequenzkämmen mithilfe mikroskopischer Resonatorringe aus Halbleitern zu miniaturisieren. Die zweite beschäftigt sich mit topologischer Photonik, bei der Muster sich wiederholender Strukturen verwendet werden, um Lichtwege zu erzeugen, die gegen kleine Fertigungsfehler immun sind.

„Die Welt der Frequenzkämme explodiert in integrierten Einzelringsystemen“, sagt Chris Flower, ein Doktorand am JQI und der UMD-Abteilung für Physik und Hauptautor des neuen Artikels. „Unsere Idee war im Wesentlichen, ob ähnliche Physik in einem speziellen Gitter aus Hunderten gekoppelter Ringe realisiert werden könnte. Das war eine ziemlich große Steigerung der Komplexität des Systems.“

Durch die Entwicklung eines Chips mit Hunderten von Resonatorringen, die in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet sind, konstruierten Flower und seine Kollegen ein komplexes Interferenzmuster, das das eingehende Laserlicht aufnimmt und um den Rand des Chips zirkulieren lässt, während das Material des Chips selbst es in viele Frequenzen aufspaltet.

Im Experiment machten die Forscher Schnappschüsse des Lichts von oberhalb des Chips und konnten nachweisen, dass es tatsächlich um den Rand zirkuliert. Sie zogen auch etwas Licht heraus, um eine hochauflösende Analyse seiner Frequenzen durchzuführen. Dabei zeigten sie, dass das zirkulierende Licht die Struktur eines doppelten Frequenzkamms hatte. Sie fanden einen Kamm mit relativ breiten Zinken und in jedem Zinken versteckten sich kleinere Kamme.

Obwohl dieser verschachtelte Kamm derzeit lediglich ein Proof of Concept ist – seine Zähne sind nicht ganz gleichmäßig verteilt und sie sind ein bisschen zu laut, um als makellos bezeichnet zu werden – könnte das neue Gerät letztendlich zu kleineren und effizienteren Frequenzkamm-Geräten führen, die in Atomuhren, Entfernungsmessern, Quantensensoren und vielen anderen Aufgaben verwendet werden können, die eine genaue Messung des Lichts erfordern.

Der wohldefinierte Abstand zwischen den Spitzen eines idealen Frequenzkamms macht ihn zu einem hervorragenden Werkzeug für diese Messungen. So wie die gleichmäßig verteilten Linien auf einem Lineal eine Möglichkeit bieten, Entfernungen zu messen, ermöglichen die gleichmäßig verteilten Spitzen eines Frequenzkamms die Messung unbekannter Lichtfrequenzen. Das Mischen eines Frequenzkamms mit einer anderen Lichtquelle erzeugt ein neues Signal, das die in der zweiten Quelle vorhandenen Frequenzen aufdecken kann.

Wiederholung führt zu Wiederholung

Zumindest qualitativ erzeugt das sich wiederholende Muster mikroskopischer Ringresonatoren auf dem neuen Chip das Muster der Frequenzspitzen, die um seinen Rand zirkulieren.

Für sich genommen bilden die Mikroringe winzige Zellen, die es Photonen – den Quantenteilchen des Lichts – ermöglichen, von Ring zu Ring zu hüpfen. Form und Größe der Mikroringe wurden sorgfältig ausgewählt, um genau die richtige Art von Interferenz zwischen den verschiedenen Sprungpfaden zu erzeugen. Zusammen bilden die einzelnen Ringe einen Superring. Gemeinsam streuen alle Ringe das einfallende Licht in die vielen Zinken des Kamms und leiten es entlang der Kante des Gitters.

Die Mikroringe und der größere Superring verleihen dem System zwei verschiedene Zeit- und Längenskalen, da das Licht länger braucht, um den größeren Superring zu umrunden, als die kleineren Mikroringe. Dies führt letztlich zur Entstehung der beiden verschachtelten Frequenzkämme: Einer ist ein grober Kamm, der von den kleineren Mikroringen erzeugt wird, mit weit auseinander liegenden Frequenzspitzen. Innerhalb jeder dieser grob verteilten Spitzen befindet sich ein feinerer Kamm, der vom Superring erzeugt wird.

Die Autoren sagen, dass diese verschachtelte Kamm-im-Kamm-Struktur, die an russische Puppen erinnert, bei Anwendungen nützlich sein könnte, bei denen genaue Messungen zweier verschiedener Frequenzen erforderlich sind, die zufällig durch eine große Lücke getrennt sind.

Die Dinge richtig machen

Es dauerte mehr als vier Jahre, bis das Experiment erfolgreich war. Ein Problem, das noch dadurch verschärft wurde, dass weltweit nur ein Unternehmen die von dem Team entwickelten Chips herstellen konnte.

Frühe Chip-Muster hatten zu dicke Mikroringe mit zu scharfen Biegungen. Sobald das einfallende Licht diese Ringe durchquerte, wurde es auf alle möglichen unerwünschten Arten gestreut, was jede Hoffnung auf die Erzeugung eines Frequenzkamms zunichte machte.

„Die erste Chip-Generation funktionierte deshalb überhaupt nicht“, sagt Flower. Er nahm sich erneut das Design vor, reduzierte die Ringbreite und rundete die Ecken ab, und kam so schließlich zu einer dritten Chip-Generation, die Mitte 2022 ausgeliefert wird.

Während Flower und seine Kollegen am Chipdesign arbeiteten, stellten sie außerdem fest, dass es schwierig sein würde, genügend Laserleistung in den Chip zu leiten. Damit ihr Chip funktionierte, musste die Intensität des Eingangslichts einen bestimmten Schwellenwert überschreiten – sonst würde sich kein Frequenzkamm bilden.

Normalerweise hätte das Team zu einem kommerziellen CW-Laser gegriffen, der einen kontinuierlichen Lichtstrahl abgibt. Diese Laser erzeugten jedoch zu viel Hitze auf den Chips, wodurch diese durchbrannten oder anschwollen und ihre Ausrichtung zur Lichtquelle verloren. Um diese thermischen Probleme zu lösen, musste das Team die Energie in Schüben konzentrieren und entschied sich daher für einen gepulsten Laser, der seine Energie in Sekundenbruchteilen abgibt.

Doch das brachte seine eigenen Probleme mit sich: Die Pulse der handelsüblichen gepulsten Laser waren zu kurz und enthielten zu viele Frequenzen. Sie neigten dazu, ein Wirrwarr unerwünschten Lichts zu erzeugen – sowohl am Rand des Chips als auch in seiner Mitte – statt des speziellen, am Rand begrenzten Lichts, das der Chip in einem Frequenzkamm auflösen sollte. Aufgrund der langen Vorlaufzeiten und Kosten für die Beschaffung neuer Chips musste das Team sicherstellen, dass es einen Laser fand, der die Spitzenleistung mit längeren, abstimmbaren Pulsen in Einklang brachte.

„Ich habe praktisch an jede Laserfirma E-Mails geschickt“, sagt Flower. „Ich suchte jemanden, der mir einen individuell anpassbaren Laser mit langer Pulsdauer bauen würde. Die meisten Leute sagten [that] Sie [didn’t] machen, und sie sind zu beschäftigt, um kundenspezifische Laser herzustellen. Aber eine Firma in Frankreich hat sich bei mir gemeldet und gesagt: „Das können wir machen. Lassen Sie uns reden.“

Seine Hartnäckigkeit machte sich bezahlt, und nach einigen Lieferungen zwischen Frankreich und dem Standort zurück, um ein leistungsfähigeres Kühlsystem für den neuen Laser zu installieren, schickte das Team endlich die richtige Art von Licht in ihren Chip und sah, wie ein verschachtelter Frequenzkamm herauskam.

Das Team sagt, dass ihr Experiment zwar auf einen Chip aus Siliziumnitrid beschränkt sei, das Design aber problemlos auf andere photonische Materialien übertragen werden könne, die Kämme in unterschiedlichen Frequenzbändern erzeugen könnten. Sie betrachten ihren Chip auch als Einführung einer neuen Plattform für das Studium der topologischen Photonik, insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine Schwelle zwischen relativ vorhersehbarem Verhalten und komplexeren Effekten besteht – wie etwa der Erzeugung eines Frequenzkamms.