Nell’ottica moderna, i pettini di frequenza sono strumenti preziosi. Questi dispositivi servono come righelli per misurare la luce, consentendo progressi nelle telecomunicazioni, nel monitoraggio ambientale e persino nell’astrofisica. Ma la creazione di pettini di frequenza compatti ed efficienti è stata finora una sfida.
Introdotti nel 1993, i pettini di frequenza elettro-ottici si sono rivelati promettenti per la generazione di pettini ottici mediante modulazione di fase a cascata, ma i progressi sono rallentati a causa dell’elevata potenza richiesta e della larghezza di banda limitata. Di conseguenza, il campo è stato dominato dai laser a femtosecondi e dalle microcombe a solitoni di Kerr che, sebbene efficaci, richiedono una sintonizzazione complessa e un’elevata potenza, limitandone l’uso sul campo.
Ma i recenti progressi nei circuiti fotonici integrati elettro-ottici a film sottile hanno portato a un rinnovato interesse per materiali come il niobato di litio. Tuttavia, il raggiungimento di una larghezza di banda più ampia con una potenza inferiore è rimasto una sfida, con la birifrangenza intrinseca (sdoppiamento dei fasci di luce) del niobato di litio che pone anche un limite superiore alla larghezza di banda ottenibile.
Gli scienziati dell’EPFL, della Colorado School of Mines e della China Academy of Science hanno affrontato questo problema combinando microonde e circuiti ottici sulla nuova piattaforma di tantalato di litio. Rispetto al niobato di litio, il tantalato di litio ha una birifrangenza intrinseca 17 volte inferiore. Sotto la direzione di Tobias J. Kippenberg, i ricercatori hanno sviluppato un generatore elettro-ottico di frequenza a pettine che raggiunge una copertura spettrale senza precedenti di 450 nm con più di 2.000 linee a pettine. Questo progresso estende la larghezza di banda del dispositivo e riduce i requisiti di potenza delle microonde di quasi 20 volte rispetto ai progetti precedenti.
Il team ha introdotto un’architettura a "tripla risonanza integrata", in cui tre campi interagenti - due ottici e uno a microonde - risuonano in armonia. Questo risultato è stato ottenuto utilizzando un nuovo sistema co-progettato che integra circuiti monolitici a microonde con componenti fotonici. Integrando un risonatore a guida d’onda complanare distribuito su circuiti integrati fotonici in tantalato di litio, il team ha migliorato significativamente il confinamento delle microonde e l’efficienza energetica.
Le dimensioni compatte del dispositivo, che occupa uno spazio di 1 x 1 cm², sono state rese possibili dalla bassa birifrangenza del tantalato di litio. Questo riduce al minimo l’interferenza tra le onde luminose, consentendo una generazione uniforme e coerente di pettini di frequenza. Inoltre, il dispositivo funziona con un semplice diodo laser distribuito con retroazione libera, rendendolo molto più facile da usare rispetto alle sue controparti a solitoni di Kerr.
La gamma a banda molto larga del nuovo generatore a pettine, che copre 450 nm, supera i limiti delle attuali tecnologie elettro-ottiche. Questo risultato è ottenuto con un funzionamento stabile sul 90% della gamma spettrale libera, eliminando la necessità di complessi meccanismi di regolazione. Questa stabilità e semplicità aprono la strada ad applicazioni pratiche e utilizzabili sul campo.
Il nuovo dispositivo può rappresentare un cambiamento paradigmatico nella fotonica. Grazie al suo design robusto e all’ingombro ridotto, ha il potenziale per avere un impatto su settori come la robotica, in cui è essenziale un’accurata misurazione laser, e il monitoraggio ambientale, in cui è fondamentale un’accurata rilevazione dei gas. Inoltre, il successo di questa metodologia di co-progettazione evidenzia il potenziale non sfruttato dell’integrazione dell’ingegneria a microonde e fotonica per i dispositivi di prossima generazione.
Tutti i campioni sono stati prodotti presso il Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) e nella camera bianca dell’Istituto di Fisica dell’EPFL (IPHYS). I wafer LTOI sono stati prodotti presso Shanghai Novel Si Integration Technology (NSIT) e SIMIT-CAS.
