Исследователи из Стэнфорда разработали новую миниатюрную гребенку частот, которая отличается высокой энергоэффективностью и точностью, что потенциально позволяет интегрировать ее в повседневную электронику для таких приложений, как медицинская диагностика и мониторинг окружающей среды. Эта «микрогребенка» использует технологию тонкопленочного ниобата лития для преодоления традиционных ограничений и предлагает масштабируемое решение для компактных устройств с низким энергопотреблением.
Исследователи из Стэнфорда представили новый тип частотной гребенки — высокоточное измерительное устройство, которое является инновационно компактным, сверхэнергоэффективным и исключительно точным. Благодаря дальнейшему развитию эта революционная «микрогребенка», подробно описанная в исследовании, опубликованном в Природа – может стать основой для массового внедрения устройств в повседневную электронику.
Частотные гребенки — это специализированные лазеры, которые генерируют равномерно расположенные линии света, похожие на зубцы расчески или, что более точно, деления на линейке. Примерно за четверть века своего развития эти «линейки света» произвели революцию во многих видах высокоточных измерений, от хронометража до молекулярного обнаружения с помощью спектроскопии. Однако поскольку частотные гребенки требуют громоздкого, дорогостоящего и энергоемкого оборудования, их применение в основном ограничивается лабораторными условиями.
Исследователи нашли обходной путь для этих проблем, объединив два разных подхода к миниатюризации частотных гребенок в одну простую, легко производимую платформу в стиле микрочипа. Среди множества применений, которые исследователи видят в своей универсальной технологии, — мощные портативные медицинские диагностические устройства и широко распространенные датчики мониторинга парниковых газов.
«Структура нашей частотной гребенки объединяет лучшие элементы новой технологии микрогребен в одном устройстве», — сказал Хуберт Стоковски, научный сотрудник лаборатории Амира Сафави-Наеини и ведущий автор исследования. «Мы потенциально можем масштабировать нашу новую частотную микрогребенку для создания компактных, маломощных и недорогих устройств, которые можно развернуть практически где угодно».
«Мы очень воодушевлены этой новой технологией микросот, которую мы продемонстрировали для новых типов прецизионных датчиков, которые одновременно малы и достаточно эффективны, чтобы когда-нибудь оказаться в чьем-то телефоне», — сказал Сафави-Наеини, доцент кафедры прикладной физики. в Стэнфордской школе гуманитарных наук и наук и является старшим автором исследования.
Спорный свет
Это новое устройство называется интегрированным оптическим параметрическим генератором с частотной модуляцией или FM-OPO.
Сложное название инструмента указывает на то, что он сочетает в себе две стратегии создания диапазона различных частот или цветов света, составляющих частотную гребенку. Одна из стратегий, называемая оптической параметрической генерацией, предполагает отражение лучей лазерного света внутри кристаллической среды, в которой генерируемый свет организуется в импульсы когерентных, стабильных волн. Вторая стратегия направлена на отправку лазерного света в полость и последующую модуляцию фазы света (достигаемая путем подачи на устройство радиочастотных сигналов) для создания в конечном итоге повторений частоты, которые аналогично действуют как световые импульсы.
Эти две стратегии создания микросот не получили широкого распространения, поскольку обе имеют недостатки. Эти проблемы включают в себя энергетическую неэффективность, ограниченную возможность регулировки оптических параметров и неоптимальную «оптическую полосу пропускания» гребенки, при которой гребенчатые линии тускнеют по мере увеличения расстояния от центра гребенки.
Исследователи по-новому подошли к этой проблеме, работая над многообещающей платформой для оптических схем на основе материала под названием тонкопленочный ниобат лития. Этот материал имеет преимущества по сравнению с кремнием, стандартным отраслевым материалом. Двумя из этих полезных свойств являются «нелинейность» (она позволяет лучам света разных цветов взаимодействовать друг с другом, генерируя новые цвета или длины волн), и через него может проходить широкий диапазон длин волн света.
Исследователи создали компоненты, лежащие в основе новой гребенки частот, используя интегрированную фотонику на основе ниобата лития. Эти технологии управления светом основаны на достижениях в смежной, более авторитетной области кремниевой фотоники, которая предполагает изготовление оптических и электронных интегральных схем на кремниевых микрочипах. Таким образом, ниобат лития и кремниевая фотоника расширили сферу применения. полупроводники в обычных компьютерных чипах, корни которых уходят в 1950-е годы.
«Ниобат лития обладает определенными свойствами, которых нет у кремния, и без него мы не смогли бы создать наше микросотовое устройство», — сказал Сафави-Наеини.
На удивление отличное исполнение
Затем исследователи объединили элементы стратегий оптического параметрического усиления и фазовой модуляции. Команда ожидала определенных рабочих характеристик от новой системы частотной гребенки на чипах ниобата лития, но то, что они увидели, оказалось намного лучше, чем они ожидали.
В целом, гребенка выдавала непрерывный выходной сигнал, а не световые импульсы, что позволило исследователям снизить требуемую входную мощность примерно на порядок. Устройство также позволило получить удобную «плоскую» гребенку, что означает, что линии гребенки, расположенные дальше по длине волны от центра спектра, не теряют интенсивность, что обеспечивает большую точность и более широкое применение в измерительных приложениях.
«Мы были очень удивлены этим гребнем», — сказал Сафави-Наини. «Хотя у нас была некоторая интуиция, что мы получим поведение, подобное расческе, на самом деле мы не пытались создать именно такой тип расчески, и нам потребовалось несколько месяцев, чтобы разработать моделирование и теорию, объясняющую ее основные свойства».
За более подробной информацией о своем сверхпроизводительном устройстве исследователи обратились к Мартину Фейеру, профессору физики Дж. Дж. Джексона и К. Дж. Вуда и профессору прикладной физики в Стэнфорде. Вместе с другими коллегами из Стэнфорда Фейер способствовал развитию современных технологий фотоники из тонкопленочного ниобата лития и пониманию кристаллических свойств материала.
Фейер, который также является соавтором исследования, установил ключевую связь между физическими принципами, лежащими в основе микросот, и идеями, обсуждаемыми в научной литературе 1970-х годов, в частности концепциями, впервые предложенными Стивеном Харрисом, почетным профессором прикладной физики и электротехники в Стэнфорде.
Новые микросоты, после дальнейшего хонингования, должны быть легко изготовлены на обычных заводах по литью микрочипов и иметь множество практических применений, таких как зондирование, спектроскопия, медицинская диагностика, волоконно-оптическая связь и носимые устройства для мониторинга здоровья.
«Наш микросотовый чип можно вставить во что угодно, при этом общий размер устройства будет зависеть от размера батареи», — сказал Стоковски. «Технология, которую мы продемонстрировали, может быть встроена в маломощное персональное устройство размером с телефон или даже меньше и служить самым разным полезным целям».
Ссылка: «Интегрированный оптический параметрический генератор с частотной модуляцией», Хьюберт С. Стоковски, Девин Дж. Дин, Александр Ю. Хван, Тэвон Парк, Огуз Толга Челик, Тимоти П. МакКенна, Марк Янковски, Карстен Лангрок, Вахид Ансари, Мартин М. Фейер и Амир Х. Сафави-Наеини, 6 марта 2024 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-024-07071-2
NTT Research оказала финансовую и техническую поддержку. Финансирование было предоставлено Министерством обороны США, Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов; Министерство энергетики США; Министерство обороны США, Управление научных исследований ВВС США; и Национальный научный фонд.