Los peines de frecuencia óptica pueden permitir procesos ultrarrápidos en física, biología y química, así como mejorar la comunicación y la navegación, las pruebas médicas y la seguridad. El Premio Nobel de Física 2005 se otorgó a los desarrolladores de espectroscopia de precisión basada en láser, que incluyeLa técnica del peine de frecuencia óptica y los peines microrresonadores se han convertido en un foco de investigación intenso durante la última década.
Un desafío importante ha sido cómo hacer que tales fuentes de peine sean más pequeñas, más robustas y portátiles. En los últimos 10 años, se han logrado avances importantes en el uso de microrresonadores monolíticos basados en chips para producir tales peines. Mientras que los microrresonadores que generanLos peines de frecuencia son diminutos, más pequeños que un cabello humano, siempre se han basado en láseres externos que a menudo son mucho más grandes, costosos y consumen mucha energía.
Los investigadores de Columbia Engineering anunciaron hoy en Naturaleza que han construido un generador de peine de frecuencia Kerr que, por primera vez, integra el láser junto con el microrresonador, reduciendo significativamente el tamaño del sistema y los requisitos de potencia. Diseñaron el láser de modo que la mitad de la cavidad del láser se base en unsección de guía de onda semiconductora con alta ganancia óptica, mientras que la otra mitad se basa en guías de onda, hechas de nitruro de silicio, un material de muy baja pérdida. Sus resultados mostraron que ya no necesitan conectar dispositivos separados en el laboratorio usando fibra - puedenahora integre todo en chips fotónicos que son compactos y energéticamente eficientes.
El equipo sabía que cuanto menor era la pérdida óptica en las guías de ondas de nitruro de silicio, menor era la potencia del láser necesaria para generar un peine de frecuencia ". Descubrir cómo eliminar la mayor parte de la pérdida de nitruro de silicio tomó años de trabajo de muchos estudiantes ennuestro grupo ", dice Michal Lipson, profesor de ingeniería eléctrica Eugene Higgins, profesor de física aplicada y codirector del equipo." El año pasado demostramos que podíamos lograr de forma reproducible guías de onda de baja pérdida muy transparentes. Este trabajo fue clave parareduciendo la potencia necesaria para generar un peine de frecuencia en el chip, que mostramos en este nuevo artículo ".
Los microrresonadores son típicamente discos o anillos pequeños y redondos hechos de silicio, vidrio o nitruro de silicio. Doblar una guía de ondas en forma de anillo crea una cavidad óptica en la que la luz circula muchas veces, lo que genera una gran acumulación de energía. Siel anillo está diseñado correctamente, una entrada de láser de bomba de frecuencia única puede generar un peine de frecuencia completo en el anillo. El equipo de ingeniería de Columbia hizo otra innovación clave: en microrresonadores con pérdidas extremadamente bajas como los suyos, la luz circula y acumula tanta intensidad quepodían ver un fuerte reflejo que regresaba del anillo.
"De hecho, colocamos el microrresonador directamente en el borde de la cavidad del láser para que este reflejo hiciera que el anillo actuara como uno de los espejos del láser; el reflejo ayudó a mantener el láser perfectamente alineado", dice Brian Stern, del estudio.autor principal que realizó el trabajo como estudiante de doctorado en el grupo de Lipson. "Entonces, en lugar de usar un láser externo estándar para bombear el peine de frecuencia en un microrresonador separado, ahora tenemos la libertad de diseñar el láser para que podamos hacer el lásery el resonador interactúan de nuevas formas ".
Todas las ópticas encajan en un área de escala milimétrica y los investigadores dicen que su novedoso dispositivo es tan eficiente que incluso una batería AAA común puede alimentarlo ". Su tamaño compacto y bajos requisitos de energía abren la puerta al desarrollo de peines de frecuencia portátilesdispositivos ", dice Alexander Gaeta, profesor Rickey de Física Aplicada y Ciencia de Materiales y co-líder del equipo." Podrían usarse para relojes ópticos ultraprecisos, para radares láser / LIDAR en automóviles autónomos, o para espectroscopía para detectar biológicos omarcadores ambientales. Estamos acercando los peines de frecuencia de experimentos de laboratorio de sobremesa a dispositivos portátiles, o incluso portátiles ".
Los investigadores planean aplicar dichos dispositivos en varias configuraciones para mediciones y detección de alta precisión. Además, extenderán estos diseños para operar en otros rangos de longitud de onda, como el infrarrojo medio, donde la detección de agentes químicos y biológicos es altamente efectiva.. En cooperación con Columbia Technology Ventures, el equipo tiene una solicitud de patente provisional y está explorando la comercialización de este dispositivo.
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Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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