Revolusionisasi Cahaya: Sisir Frekuensi Terobosan Mengubah Fotonik
Sisir frekuensi merevolusi optik, dari telekomunikasi hingga astrofisika, tetapi kompleksitasnya telah menjadi penghalang jalan.
Kemajuan terbaru dalam teknologi lithium tantalate telah mengubah permainan, menciptakan generator sisir yang ringkas dan ramah pengguna dengan efisiensi dan bandwidth yang luar biasa. Terobosan ini dapat membentuk kembali bidang -bidang seperti robotika dan pemantauan lingkungan, menawarkan kemungkinan baru yang menarik.
Sisir frekuensi dalam optik modern
Dalam optik modern, sisir frekuensi adalah alat penting yang membantu mengukur cahaya dengan presisi ekstrem. Mereka telah memungkinkan kemajuan yang signifikan di bidang seperti telekomunikasi, pemantauan lingkungan, dan astrofisika. Namun, menciptakan sisir frekuensi yang ringkas dan efisien telah lama menjadi tantangan – sampai sekarang.
Sisir frekuensi elektro-optik, pertama kali diperkenalkan pada tahun 1993, menunjukkan potensi besar dalam menghasilkan sisir optik menggunakan modulasi fase bertingkat. Terlepas dari janji ini, kemajuan mereka terhenti karena kebutuhan daya yang tinggi dan bandwidth terbatas. Akibatnya, bidang bergeser ke laser femtosecond dan microcomb Kerr Soliton. Meskipun teknologi ini efektif, mereka datang dengan proses tuning yang kompleks dan tuntutan daya tinggi, membuatnya tidak praktis untuk digunakan secara luas.
Perkembangan terbaru dalam sirkuit fotonik terintegrasi elektro-optik film tipis telah menyalakan kembali minat dalam sisir frekuensi elektro-optik, terutama dengan bahan seperti lithium niobate. Namun, memperluas bandwidth sambil mengurangi konsumsi daya tetap menjadi rintangan besar. Selain itu, birefringence intrinsik Lithium Niobate – kecenderungan untuk membagi balok cahaya – menempatkan batas mendasar pada bandwidth yang dapat dicapai, membatasi kemajuan lebih lanjut.
Terobosan dengan teknologi lithium tantalate
Para ilmuwan di EPFL, Colorado School of Mines, dan China Academy of Science, kini telah menangani ini dengan menggabungkan microwave dan desain sirkuit optik pada platform lithium tantalate yang baru dikembangkan, dibandingkan dengan lithium niobate, lithium tantalate menampilkan birefringence intrinsik 17 kali lebih rendah. Dipimpin oleh Profesor Tobias J. Kippenberg, para peneliti mengembangkan generator sisir frekuensi elektro-optik yang mencapai cakupan spektral 450 nm yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan lebih dari 2000 garis sisir. Terobosan memperluas bandwidth perangkat dan mengurangi kebutuhan daya gelombang mikro hampir 20 kali lipat dibandingkan dengan desain sebelumnya.
Tim memperkenalkan arsitektur “resonansi triply terintegrasi”, di mana tiga bidang yang berinteraksi – dua optik dan satu microwave – resonate secara harmonis. Ini dicapai dengan menggunakan sistem yang dirancang bersama baru yang mengintegrasikan sirkuit gelombang mikro monolitik dengan komponen fotonik. Dengan menanamkan resonator waveguide coplanar terdistribusi pada sirkuit terintegrasi fotonik lithium tantalate, tim secara signifikan meningkatkan kurungan microwave dan efisiensi energi.
Desain kompak dan peningkatan efisiensi
Ukuran kompak perangkat, pemasangan dalam 1 × 1 cm2 Jejak kaki, dimungkinkan dengan memanfaatkan birefringence yang lebih rendah dari lithium tantalate. Ini meminimalkan gangguan antara gelombang cahaya, yang memungkinkan pembuatan sisir frekuensi yang halus dan konsisten. Selain itu, perangkat ini beroperasi menggunakan dioda laser umpan balik terdistribusi yang sederhana dan berjalan bebas, membuatnya jauh lebih ramah pengguna daripada rekan-rekan Kerr Soliton-nya.
Bentang ultra-broadband generator baru, yang mencakup 450 nm, melebihi batas teknologi sisir elektro-optik saat ini. Ini mencapai ini dengan operasi yang stabil di 90% dari rentang spektral bebas, menghilangkan kebutuhan akan mekanisme penyetelan yang kompleks. Stabilitas dan kesederhanaan ini membuka pintu untuk aplikasi yang praktis dan dapat digunakan di lapangan.
Implikasi di masa depan untuk fotonik dan seterusnya
Perangkat baru dapat menjadi perubahan paradigma di dunia fotonik. Dengan desainnya yang kuat dan jejak kaki yang ringkas, ia dapat memengaruhi area seperti robotika, di mana pengkhianatan laser yang tepat sangat penting, dan pemantauan lingkungan, di mana penginderaan gas yang akurat sangat penting. Selain itu, keberhasilan metodologi desain bersama ini menyoroti potensi yang belum dimanfaatkan untuk mengintegrasikan microwave dan rekayasa fotonik untuk perangkat generasi berikutnya.
Referensi: “Ultrabroadband Terpadu Kombinasi Frekuensi Elektro-Optik Dalam Lithium Tantalate” oleh Junyin Zhang, Chengli Wang, Connor Denney, Johann Riemensberger, Grigory Lihachev, Jianqi Hu, Wil Kao, Terence Blésin, Nikolai Kuznetsov, Wil Kao, Terencer Santamaria-Botello dan Tobias J. Kippenberg, 22 Januari 2025, Alam.
Doi: 10.1038/s41586-024-08354-4
Semua sampel dibuat di pusat EPFL Micronanotechnology (CMI) dan Institute of Physics (IPHYS) Cleanroom. Wafer LTOI dibuat dalam Teknologi Integrasi Si Shanghai SI (NSIT) dan Simit-Cas.
