Le projet a été dirigé par des physiciens du NIST à Boulder, Colorado, avec une puce à peigne fabriquée au California Institute of Technology (Caltech à Pasadena, Californie) et la deuxième puce en peigne fabriquée au NIST's Center for Nanoscale Science and Technology (à Gaithersburg, Maryland.). L'Université de Californie à Santa Barbara a développé une puce laser à semi-conducteur programmable.

Chacune des trois puces mesure environ 5 millimètres sur 10 millimètres. Avec de nouvelles avancées dans les matériaux et la fabrication, les puces seront probablement emballées ensemble par l'une des institutions partenaires du NIST, dit Papy.

Dans un peigne de fréquence de table pleine grandeur, généralement assemblé à la main à partir de composants en métal et en verre, la lumière laser circule à l'intérieur d'une cavité optique, un ensemble spécialisé de miroirs, pour produire un ensemble de lignes également espacées qui ressemble à un peigne à cheveux dans lequel chaque « dent » est une couleur individuelle. Dans les versions à puce, les cavités sont plates, circuits ronds fabriqués sur silicium à l'aide de techniques automatisées similaires à celles utilisées dans la fabrication de puces informatiques.

Le nouveau synthétiseur optique n'utilise que 250 milliwatts (millièmes de watt) de puissance optique sur puce, bien moins qu'un classique, peigne de fréquence pleine grandeur.

La sortie du synthétiseur est le laser programmable, dont les oscillations des ondes lumineuses servent de tops d'horloge optique traçables à la seconde SI, l'étalon de temps international basé sur les vibrations micro-ondes de l'atome de césium. Le laser de sortie est guidé par les deux peignes de fréquence, qui fournissent des liaisons synchronisées entre les fréquences micro-ondes et optiques.

Chaque peigne est créé à partir de la lumière émise par un laser "pompe" monocolore. Le peigne NIST mesure 40 micromètres (millionièmes de mètre) de diamètre. Ce peigne a un large espacement entre les dents mais peut se calibrer en s'étendant sur une octave - ce qui, comme en musique, fait référence à l'intervalle entre deux notes qui sont la moitié ou le double de la fréquence l'une de l'autre. Cette fonction calibre le synthétiseur.

L'hippodrome est un guide d'ondes personnalisé en nitrure de silicium, qui offre des propriétés spéciales qui élargissent le spectre de la lumière, concentrer la lumière dans une petite zone pour augmenter l'intensité, peut être ajusté par des changements de géométrie, et peuvent être fabriqués comme des puces informatiques par des techniques lithographiques.

Le peigne Caltech est physiquement plus grand, environ 100 fois plus large et fait de silice fondue. Mais les dents de ce peigne sont beaucoup plus fines et couvrent une plage de longueurs d'onde beaucoup plus étroite - dans la bande des 1550 nanomètres utilisée pour les télécommunications, l'objet de la démonstration du synthétiseur. L'espacement entre les dents est une fréquence micro-onde qui peut être mesurée et contrôlée par rapport à la seconde SI. Grâce à un processus de conversion mathématique numérique, ce peigne à dents fines identifie stable, fréquences optiques précises dans l'espacement plus large du peigne NIST calibré.

Ainsi, les deux peignes fonctionnent comme un multiplicateur de fréquence pour convertir les tops d'horloge des micro-ondes au domaine optique tout en maintenant la précision et la stabilité.

L'équipe de recherche a démontré le système en synthétisant une gamme de fréquences optiques dans la bande des télécommunications et en caractérisant les performances avec un peigne de fréquence distinct dérivé de la même horloge. Les chercheurs ont démontré l'architecture du système, vérifié la précision de la synthèse de fréquence, et a confirmé que le synthétiseur offrait une synchronisation stable entre l'horloge et la sortie du peigne.