Les lasers jouent un rôle vital dans tout, des communications et de la connectivité modernes à la biomédecine et à la fabrication. De nombreuses applications, cependant, nécessitent des lasers pouvant émettre plusieurs fréquences (couleurs de lumière) simultanément, chacun séparé avec précision comme la dent sur un peigne.

Les peignes de fréquence optique sont utilisés pour la surveillance environnementale afin de détecter la présence de molécules, tels que les toxines; en astronomie pour la recherche d'exoplanètes; en métrologie de précision et en chronométrage. Cependant, ils sont restés encombrants et chers, ce qui a limité leurs applications. Donc, les chercheurs ont commencé à explorer comment miniaturiser ces sources de lumière et les intégrer sur une puce pour répondre à un plus large éventail d'applications, y compris les télécommunications, synthèse micro-onde et télémétrie optique. Mais si loin, les peignes de fréquence sur puce ont eu du mal avec l'efficacité, stabilité et contrôlabilité.

Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et de l'Université de Stanford ont développé un système intégré, peigne de fréquence sur puce efficace, stable et hautement contrôlable avec les micro-ondes.

La recherche est publiée dans La nature .

« Dans les communications optiques, si vous souhaitez envoyer plus d'informations via un petit, câble de fibre optique, vous devez avoir différentes couleurs de lumière qui peuvent être contrôlées indépendamment, " a déclaré Marko Loncar, le professeur Tiantsai Lin de génie électrique à SEAS et l'un des auteurs principaux de l'étude. "Cela signifie que vous avez besoin soit d'une centaine de lasers séparés, soit d'un peigne de fréquence. Nous avons développé un peigne de fréquence qui est un élégant, façon efficace et intégrée de résoudre ce problème."

Loncar et son équipe ont développé le peigne de fréquence à l'aide de niobite de lithium, un matériau bien connu pour ses propriétés électro-optiques, ce qui signifie qu'il peut convertir efficacement les signaux électroniques en signaux optiques. Grâce aux fortes propriétés électro-optiques du niobite de lithium, le peigne de fréquence de l'équipe couvre toute la bande passante des télécommunications et a considérablement amélioré l'accordabilité.

"Les précédents peignes de fréquence sur puce ne nous donnaient qu'un seul bouton de réglage, " a déclaré le co-premier auteur Mian Zhang, aujourd'hui PDG d'HyperLight et anciennement chercheur postdoctoral à SEAS. "C'est comme un téléviseur où le bouton de chaîne et le bouton de volume sont identiques. Si vous voulez changer de chaîne, vous finissez par changer le volume aussi. En utilisant l'effet électro-optique du niobate de lithium, nous avons effectivement séparé ces fonctionnalités et avons maintenant un contrôle indépendant sur elles. »

Ceci a été accompli en utilisant des signaux micro-ondes, permettant les propriétés du peigne, y compris la bande passante, l'espacement entre les dents, la hauteur des lignes et les fréquences activées et désactivées, à régler indépendamment.

"Maintenant, on peut contrôler les propriétés du peigne à volonté assez simplement avec des micro-ondes, " a déclaré Loncar. "C'est un autre outil important dans la boîte à outils optiques."

« Ces peignes de fréquence compacts sont particulièrement prometteurs en tant que sources lumineuses pour la communication optique dans les centres de données, " dit Joseph Kahn, Professeur de génie électrique à Stanford et l'autre auteur principal de l'étude. « Dans un centre de données, littéralement un bâtiment de la taille d'un entrepôt contenant des milliers d'ordinateurs, les liaisons optiques forment un réseau interconnectant tous les ordinateurs afin qu'ils puissent travailler ensemble sur des tâches informatiques massives. Un peigne de fréquence, en fournissant de nombreuses couleurs de lumière différentes, peut permettre à de nombreux ordinateurs d'être interconnectés et d'échanger des quantités massives de données, satisfaire les besoins futurs des centres de données et du cloud computing.

Le Harvard Office of Technology Development a protégé la propriété intellectuelle relative à ce projet. La recherche a également été soutenue par l'accélérateur de sciences physiques et d'ingénierie d'OTD, qui fournit un financement translationnel pour des projets de recherche qui présentent un potentiel d'impact commercial important.