Достаточно маленькие, чтобы поместиться на микросхеме, миниатюрные версии этих гребенок – названные так потому, что их набор равномерно разнесенных частот напоминает зубцы гребенки – делают возможным новое поколение атомных часов, значительно увеличивающее количество сигналов. путешествие по оптическим волокнам и способность различать крошечные частотные сдвиги в звездном свете, которые указывают на присутствие невидимых планет. Новейшая версия этих микрогребней на базе микросхем, созданная исследователями из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB), готова к дальнейшему продвижению в измерениях времени и частоты за счет улучшения и расширение возможностей этих крошечных устройств.
В основе этих частотных микрогребней лежит оптический микрорезонатор, устройство в форме кольца шириной с человеческий волос, в котором свет от внешнего лазера проходит тысячи раз, пока не приобретет высокую интенсивность.
Микрогребни, часто сделанные из стекла или нитрида кремния, обычно требуют усилителя для внешнего лазерного света, что может сделать гребенку сложной, громоздкой и дорогостоящей в производстве.
Ученые NIST и их сотрудники из UCSB продемонстрировали, что микрогребни, созданные из полупроводникового арсенида алюминия-галлия, обладают двумя важными свойствами, которые делают их особенно многообещающими.
Новые гребенки работают на такой низкой мощности, что им не нужен усилитель, и ими можно манипулировать для получения чрезвычайно устойчивого набора частот – именно то, что необходимо для использования гребенки на микрочипе в качестве чувствительного инструмента для измерения частот с необычайной точностью. (Исследование является частью программы NIST on a Chip.)
Недавно разработанная технология микрогребней может помочь инженерам и ученым проводить точные оптические измерения частоты вне лаборатории, сказал ученый NIST Грегори Мойл. Кроме того, микрогребня может производиться серийно с помощью методов нанопроизводства, аналогичных тем, которые уже используются для производства микроэлектроники.
Ранее исследователи из UCSB возглавляли исследования микрорезонаторов, состоящих из арсенида алюминия-галлия. Частотные гребенки, изготовленные из этих микрорезонаторов, потребляют всего одну сотую мощности устройств, изготовленных из других материалов.
Однако ученым не удалось продемонстрировать ключевое свойство – дискретный набор непоколебимых или очень стабильных частот можно было генерировать с помощью микрорезонатора, сделанного из этого полупроводника.
Команда NIST решила эту проблему, поместив микрорезонатор в специализированный криогенный аппарат, который позволил исследователям исследовать устройство при температурах до 4 градусов выше абсолютного нуля. Эксперимент при низких температурах показал, что взаимодействие между теплотой, генерируемой лазерным светом, и светом, циркулирующим в микрорезонаторе, было единственным препятствием, мешающим устройству генерировать высокостабильные частоты, необходимые для успешной работы.
При низких температурах команда продемонстрировала, что он может достичь так называемого солитонного режима, когда отдельные импульсы света, которые никогда не меняют свою форму, частоту или скорость, циркулируют внутри микрорезонатора.
Исследователи описывают свою работу в июньском выпуске журнала Laser and Photonics Reviews.
В таких солитонах все зубцы частотной гребенки находятся в фазе друг с другом, поэтому их можно использовать в качестве линейки для измерения частот, используемых в оптических часах, синтезе частот или лазерных измерениях расстояний.
Хотя некоторые недавно разработанные криогенные системы достаточно малы, чтобы их можно было использовать с новой микрогребней вне лаборатории, конечной целью является работа устройства при комнатной температуре. Новые результаты показывают, что ученым придется либо гасить, либо полностью избегать чрезмерного нагрева, чтобы добиться работы при комнатной температуре.