El nuevo chip fotónico genera un peine de frecuencias topológicas anidadas

Los científicos que buscan fuentes compactas y potentes de luz láser multicolor han producido el primer peine de frecuencia topológica. Sus resultadosque se basa en un pequeño chip de nitruro de silicio con cientos de anillos microscópicos, aparece en la revista Ciencias.

La luz de un láser convencional brilla en un color claramente definido o en una frecuencia equivalente. Un peine de frecuencia es similar a un láser de refuerzo, pero en lugar de emitir una única frecuencia de luz, un peine de frecuencia brilla con muchos picos de frecuencia originales, espaciados uniformemente. El espacio igual entre las clavijas se asemeja a los dientes de un peine, lo que le da su nombre al peine de frecuencia.

Los primeros peines de frecuencia requirieron un equipo enorme para crearlos. Más recientemente, los investigadores se han centrado en miniaturizarlos y convertirlos en plataformas integradas basadas en chips. A pesar de mejoras significativas en la reducción del equipo necesario para generar peines de frecuencia, las ideas básicas no han cambiado. Crear un peine alternativo útil requiere una fuente constante de luz y una forma de distribuir esa luz sobre los dientes del peine aprovechando la ganancia óptica, la pérdida y otros efectos que surgen a medida que la fuente de luz se vuelve más intensa.

En el nuevo trabajo, el miembro del JQI Mohamed Hafezi, quien también es profesor de ingeniería eléctrica e informática y física en la Universidad de Maryland (UMD), y el miembro del JQI Kartik Srinivasan, quien también es miembro del Instituto Nacional de Normalización y varios colegas. Han combinado dos líneas de investigación en un nuevo método de generación de peines de frecuencia.

Una línea intenta miniaturizar el proceso de creación de peines de frecuencia utilizando anillos resonadores microscópicos hechos de semiconductores. El segundo implica la fotónica topológica, que utiliza patrones de estructuras repetidas para crear caminos de luz que son inmunes a pequeños defectos de fabricación.

«El mundo de los peines de frecuencia está explotando hacia sistemas integrados de bucle único», dice Chris Flower, estudiante de posgrado en JQI y el Departamento de Física de la Universidad de Maryland y autor principal del nuevo artículo. «Nuestra idea era básicamente: ¿Se podría lograr una física similar en una red especial formada por cientos de anillos dobles? Eso fue una escalada muy grande en la complejidad del sistema».

Al diseñar un chip con cientos de anillos resonadores dispuestos en una cuadrícula bidimensional, Flower y sus colegas diseñaron un patrón complejo de interferencia que toma la luz láser de entrada y la distribuye alrededor del borde del chip mientras el propio material del chip la divide. a muchas frecuencias.

En el experimento, los investigadores tomaron instantáneas de la luz desde la parte superior del chip y demostraron que en realidad estaba rodeando el borde. También extrajeron parte de la luz para realizar un análisis de alta resolución de sus frecuencias, mostrando que la luz dispersada tiene una estructura de peine de frecuencia doble. Encontraron un peine con dientes relativamente anchos, escondido dentro de cada diente, y un peine más pequeño escondido.

Aunque este peine superpuesto es sólo una prueba de concepto por el momento (sus dientes no están espaciados de manera uniforme y es demasiado ruidoso para llamarlo original), el nuevo dispositivo podría eventualmente conducir a equipos de peine de frecuencia más pequeños y más eficientes que podrían usarse. en relojes atómicos, telémetros, sensores cuánticos y muchas otras tareas que requieren mediciones precisas de la luz.

El espacio bien definido entre pines en un peine de frecuencia ideal los convierte en excelentes herramientas para estas mediciones. Así como las líneas espaciadas uniformemente en una regla proporcionan una forma de medir la distancia, las clavijas espaciadas uniformemente en un peine de frecuencias permiten medir frecuencias de luz desconocidas. Mezclar el peine de frecuencias con otra fuente de luz produce una nueva señal que puede detectar las frecuencias presentes en la segunda fuente.

La repetición engendra repetición

Al menos cualitativamente, el patrón repetitivo de resonadores toroidales microscópicos en el nuevo chip genera el patrón de picos de frecuencia que recorren su borde.

Individualmente, los microanillos forman células diminutas que permiten que los fotones (partículas cuánticas de luz) salten de un anillo al siguiente. La forma y el tamaño de los microanillos se eligieron cuidadosamente para crear el tipo correcto de superposición entre las diferentes rutas de navegación, y juntos los anillos individuales forman un súper anillo. Todos los anillos se combinan para dispersar la luz entrante en los numerosos dientes del peine y dirigirla a lo largo del borde de la malla.

El microanillo y el superanillo más grande proporcionan al sistema dos escalas de tiempo y longitud diferentes, ya que la luz tarda más en viajar alrededor del superanillo más grande que cualquiera de los microanillos más pequeños. En última instancia, esto genera dos peines de frecuencia superpuestos: uno es un peine rugoso producido por los microanillos más pequeños, con picos de frecuencia muy espaciados. Dentro de cada una de esas púas aproximadamente espaciadas, hay una cresta más fina, producida por el súper anillo.

Los autores dicen que esta estructura de peine anidado, que recuerda a las muñecas rusas, podría ser útil en aplicaciones que requieren mediciones precisas de dos frecuencias diferentes separadas por un amplio espacio.

hacer las cosas bien

Fueron necesarios más de cuatro años para llevar a cabo el experimento, un problema agravado por el hecho de que sólo una empresa en el mundo puede fabricar los chips diseñados por el equipo.

Las primeras muestras de láminas tenían microanillos muy gruesos con curvaturas muy pronunciadas. Una vez que la luz entrante pasa a través de estos anillos, se dispersará en todo tipo de formas no deseadas, borrando cualquier esperanza de generar un peine de frecuencias.

«La primera generación de chips no funcionó en absoluto debido a esto», afirma Flower. Volviendo al diseño, redujo el ancho del anillo y redondeó las esquinas, llegando finalmente a una tercera generación de chips, que se entregará a mediados de 2022.

Mientras repetían el diseño del chip, Flower y sus colegas también descubrieron que sería difícil entregar suficiente potencia láser al chip. Para que su chip funcione, la intensidad de la luz de entrada debe exceder un cierto umbral; de lo contrario, no se formará un peine de frecuencia.

Normalmente, el equipo habría ideado un láser CW comercial, que emite un haz de luz continuo. Pero estos láseres entregaron demasiado calor a los chips, lo que provocó que se quemaran o se hincharan y se desalinearan con la fuente de luz. El equipo necesitaba concentrar la energía en ráfagas para solucionar estos problemas térmicos, por lo que se centraron en un láser pulsado que entrega su energía en una fracción de segundo.

Pero esto generó sus propios problemas: los láseres pulsados ​​disponibles comercialmente tenían pulsos muy cortos y contenían demasiadas frecuencias. Tendían a introducir una mezcla de luz no deseada, ya sea en el borde del chip o a través de su centro, en lugar de la luz específica de los bordes para la que el chip fue diseñado para dispersar en el peine de frecuencia. Dado el largo plazo y los gastos necesarios para obtener nuevos chips, el equipo necesitaba asegurarse de encontrar un láser que equilibrara la entrega de potencia máxima con pulsos sintonizables de mayor duración.

«Envié correos electrónicos básicamente a todas las empresas de láser», dice Flower. “Busqué a alguien que pudiera fabricarme un láser de pulso largo ajustable y personalizado. La mayoría de la gente dijo. [that] ellos [didn’t] Lo hacen y están demasiado ocupados para fabricar láseres personalizados. Pero una empresa en Francia volvió a verme y me dijo: «Podemos hacerlo». hablemos.»

Su perseverancia dio sus frutos, y después de algunos envíos de ida y vuelta desde Francia para instalar un sistema de enfriamiento más potente para el nuevo láser, el equipo finalmente envió el tipo correcto de luz a su chip y vio salir un peine de frecuencia cruzada.

El equipo dice que aunque su experimento es específico para un chip hecho de nitruro de silicio, el diseño se puede trasladar fácilmente a otros materiales fotónicos que pueden crear peines en diferentes rangos de frecuencia. También ven su chip como la introducción de una nueva plataforma para estudiar la fotónica topológica, especialmente en aplicaciones donde existe un umbral entre un comportamiento relativamente predecible y efectos más complejos, como la generación de peines de frecuencia.