Im Bereich der modernen Optik sind Frequenzkämme wertvolle Werkzeuge. Sie dienen als Lineale für die Messung von Licht und ermöglichen Fortschritte in der Telekommunikation, der Umweltüberwachung und sogar der Astrophysik. Doch kompakte und effiziente Frequenzkämme herzustellen, war bislang eine Herausforderung.
Die 1993 eingeführten elektrooptischen Frequenzkämme erwiesen sich als vielversprechend für die Erzeugung optischer Kämme durch kaskadierende Phasenmodulation, doch aufgrund ihres hohen Leistungsbedarfs und ihrer begrenzten Bandbreite verlangsamten sich die Fortschritte. So wurde das Gebiet von Femtosekundenlasern und Kerr-Soliton-Mikrokämmen dominiert, die zwar effektiv sind, aber eine komplexe Einstellung und hohe Leistung erfordern, was den Einsatz im Feld einschränkt.
Doch die jüngsten Fortschritte bei den integrierten elektrooptischen Dünnschicht-Photonikschaltungen haben das Interesse an Materialien wie Lithiumniobat wieder geweckt. Eine größere Bandbreite bei geringerer Leistung zu erreichen, blieb jedoch eine Herausforderung, da die intrinsische Doppelbrechung (Aufspaltung der Lichtstrahlen) von Lithiumniobat auch eine Obergrenze für die erreichbare Bandbreite festlegt.
Wissenschaftler der EPFL, der Colorado School of Mines und der China Academy of Science haben sich dieses Problems angenommen, indem sie Mikrowellen und optische Schaltkreise auf der neuen Lithiumtantalat-Plattform kombinierten. Im Vergleich zu Lithiumniobat weist Lithiumtantalat eine 17-mal geringere intrinsische Doppelbrechung auf. Unter der Leitung von Tobias J. Kippenberg haben die Forscherinnen und Forscher einen elektrooptischen Frequenzkammgenerator entwickelt, der mit mehr als 2000 Kammlinien eine beispiellose spektrale Abdeckung von 450 nm erreicht. Dieser Fortschritt erweitert die Bandbreite des Geräts und reduziert den Bedarf an Mikrowellenleistung um fast das 20-fache im Vergleich zu früheren Designs.
Das Team führte eine "integrierte Dreifachresonanz"-Architektur ein, bei der drei interagierende Felder - zwei optische und ein Mikrowellenfeld - in Harmonie miteinander schwingen. Dies wurde mithilfe eines neuen, gemeinsam entworfenen Systems erreicht, das monolithische Mikrowellenschaltkreise mit photonischen Komponenten integriert. Durch die Integration eines verteilten koplanaren Wellenleiterresonators auf photonischen integrierten Schaltungen aus Lithiumtantalat konnte das Team die Mikrowelleneindämmung und die Energieeffizienz signifikant verbessern.
Die kompakte Größe des Geräts, das eine Fläche von 1 x 1 cm² einnimmt, wurde durch die geringe Doppelbrechung des Lithiumtantalats ermöglicht. Dadurch wird die Interferenz zwischen den Lichtwellen minimiert, was eine flüssige und kohärente Erzeugung von Frequenzkämmen ermöglicht. Außerdem wird das Gerät mit einer einfachen verteilten Laserdiode mit freier Rückkopplung betrieben, was es wesentlich benutzerfreundlicher macht als seine Kerr-Soliton-Pendants.
Die sehr breitbandige Reichweite des neuen Kammgenerators, die 450 nm abdeckt, überschreitet die Grenzen der aktuellen elektrooptischen Technologien. Er erreicht dies mit einem stabilen Betrieb über 90% des freien Spektralbereichs, wodurch der Bedarf an komplexen Einstellmechanismen entfällt. Diese Stabilität und Einfachheit ebnet den Weg für eine praktische, im Feld einsetzbare Anwendung.
Das neue Gerät kann einen Paradigmenwechsel im Bereich der Photonik darstellen. Dank seines robusten Designs und seines geringen Platzbedarfs kann es sich auf Bereiche wie die Robotik auswirken, in denen eine präzise Laserentfernung entscheidend ist, und auf die Umweltüberwachung, in der eine präzise Gasdetektion von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus unterstreicht der Erfolg dieser Co-Design-Methode das ungenutzte Potenzial der Integration von Mikrowellen- und Photonik-Engineering für Geräte der nächsten Generation.
Alle Proben wurden im Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) und im Reinraum des Instituts für Physik (IPHYS) der EPFL hergestellt. Die LTOI-Wafer wurden in Shanghai Novel Si Integration Technology (NSIT) und am SIMIT-CAS hergestellt.
