«Когда вы настраиваете пианино, камертон дает стандартизированную высоту звука или эталонную частоту звука; в оптических резонаторах« высота звука »соответствует цвету или длине волны света. Наше устройство обеспечивает постоянную частоту света, которая улучшает как оптические, так и электронные устройства, когда они используются в качестве эталонов », — говорит Керри Вахала, профессор информационных наук, технологий и прикладной физики Теда и Джинджер Дженкинс. Вахала также является исполнительным директором по прикладной физике и материаловедению и автором исследования, описывающего эту новую работу, опубликованного в журнале Nature Communications.Хороший камертон контролирует высвобождение своей акустической энергии, длительное время воспроизводя только одну высоту звука на определенной звуковой частоте; это поддерживающее свойство называется фактором качества.
Вахала и его коллеги перенесли эту концепцию на свой оптический резонатор, сосредоточив внимание на оптической добротности и других элементах, влияющих на стабильность частоты.Исследователи смогли стабилизировать частоту света, разработав чип-резонатор из кварцевого стекла со специально разработанной траекторией для фотонов в форме так называемой спирали Архимеда. «Использование этой формы позволяет получить самый длинный путь в самой маленькой области на кристалле.
Мы знали, что если мы заставим фотоны перемещаться по более длинному пути, все устройство станет более стабильным», — говорит Хансуэк Ли, старший научный сотрудник лаборатории Вахалы и ведущий специалист. автор статьи.Нестабильность частоты возникает из-за скачков энергии в оптическом резонаторе, которые неизбежны по законам термодинамики.
Поскольку новый резонатор имеет более длинный путь, изменения энергии разбавляются, поэтому скачки мощности ослабляются, что значительно улучшает согласованность и качество опорного сигнала резонатора, что, в свою очередь, улучшает качество электронного или оптического устройства.В новом дизайне фотоны поступают на внешнее кольцо спиралевидного резонатора с помощью крошечного светорассеивающего оптического волокна; фотоны впоследствии перемещаются по четырем переплетенным архимедовым спиралям, в конечном итоге закрывая путь после прохождения более метра на площади размером около четверти — это путешествие в 100 раз дольше, чем достигалось в предыдущих разработках. В сочетании с резонатором использовался специальный световод, который терял в 100 раз меньше энергии, чем среднее устройство на основе микросхемы.
В дополнение к использованию в качестве эталона частоты для лазеров, эталонный резонатор однажды может сыграть роль, эквивалентную повсеместному кристаллу кварца в электронике. В большинстве электронных систем используется устройство, называемое генератором, для подачи энергии на очень точных частотах. За последние несколько лет генераторы на оптической основе, для которых требуются опорные опорные резонаторы, стали лучше электронных генераторов в обеспечении стабильных микроволновых и радиочастот.
Хотя эти оптические генераторы в настоящее время слишком велики для использования в небольшой электронике, предпринимаются попытки миниатюризировать их ключевые подкомпоненты, такие как эталонный резонатор Vahala на основе микросхемы.«Миниатюрный оптический осциллятор будет означать сдвиг в традиционных ролях фотоники и электроники. В настоящее время электроника выполняет обработку сигналов, в то время как фотоника управляет передачей информации из одного места в другое по оптоволоконному кабелю.
В конечном итоге, генераторы в высокопроизводительных электронных системах внешне выглядят как электронные устройства, но внутри будут чисто оптическими », — говорит Вахала.«Технология, которую представили Керри и его группа, открывает новые возможности для перемещения прецизионных источников оптической частоты из лаборатории на компактную, надежную и интегрируемую платформу на основе кремния», — говорит Скотт Диддамс, физик и руководитель проекта в Национальном институте.
Стандарты и технологии, недавний выдающийся ученый Мура в Калифорнийском технологическом институте и соавтор исследования. «Это открывает множество новых и неизведанных возможностей для создания систем, которые могут оказать большее влияние на« реальные »приложения», — говорит Диддамс.