High-power ultrabroadband electro-optic frequency combs in thin-film lithium niobate

Licht en elektriciteit zijn de tweelingmotoren van de moderne wereld, maar ze spreken verschillende talen. Licht, dat door glasvezelkabels raast, draagt de enorme datastromen van het internet, terwijl elektriciteit, die langzamer door koperdraden beweegt, de timing en logica van onze computers en sensoren regelt. Het efficiënt overbruggen van deze twee werelden is een fundamentele uitdaging in de natuurkunde. Wetenschappers zoeken al lang naar een manier om microgolfsignalen — de snelle pulsen van elektriciteit die onze technologie aandrijven — direct in licht om te zetten, en weer terug, zonder informatie te verliezen of energie te verspillen. Deze conversie is de sleutel tot snellere communicatie, ultra-precieze sensoren en het opkomende veld van quantumnetwerken, waar delicate quantumtoestanden over lange afstanden worden verzonden. Het ideale instrument voor deze taak zou een apparaat zijn dat een constante lichtstraal kan nemen en deze kan hakken in een precies, herhalend patroon van pulsen, waardoor een "frequentiekam" ontstaat. Denk aan deze kam als een liniaal voor licht, met duizenden gelijkmatig verdeelde lijnen die tijd en frequentie met ongelooflijke nauwkeurigheid kunnen meten.

Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd deze kammen op kleine computerchips te bouwen, maar ze stuitten op een hardnekkige afweging. Om een sterk signaal te maken, moeten het licht en de microgolfelektriciteit samen een lange afstand binnen de chip afleggen. Echter, terwijl ze reizen, vervaagt het microgolfsignaal van nature en wordt het licht geabsorbeerd of verstrooid door het materiaal. Als de chip te kort is, is het signaal zwak; als hij te lang is, sterft het signaal uit voordat het nuttig werk kan verrichten. Deze beperking heeft hoogwaardige lichtkammen buiten bereik gehouden voor veel praktische toepassingen, waardoor ingenieurs moesten kiezen tussen een kort, zwak signaal of een lang, inefficiënt signaal.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Californië, Berkeley, heeft nu deze barrière doorbroken door een nieuw soort chip te creëren waarmee licht en elektriciteit over ongekende afstanden kunnen interageren. Met behulp van een materiaal genaamd dunne film lithiumniobaat, dat bekend staat om zijn vermogen om licht snel te manipuleren, bouwden zij een apparaat dat het microgolfsignaal en de lichtstraal samen leidt over een totale effectieve lengte van 36 centimeter. Om dit lange pad op een kleine chip te laten passen, hebben ze het pad van het licht niet simpelweg uitgerekt, maar de weg van het licht meerdere keren heen en weer door hetzelfde elektrische veld gevouwen. Dit slimme recyclen van het pad stelt het licht in staat om een enorme hoeveelheid verandering te accumuleren zonder dat er een chip van meters lang nodig is. Het resultaat is een apparaat dat een enkele kleur laserlicht kan omzetten in een breed spectrum met meer dan 550 afzonderlijke lichtlijnen, die allemaal perfect gelijkmatig zijn verdeeld.

De betekenis van deze prestatie ligt in de efficiëntie van het proces. In eerdere pogingen vereiste het creëren van een dergelijk breed en krachtig spectrum zoveel energie dat het grootste deel van het licht verloren ging aan warmte of absorptie. In dit nieuwe ontwerp bereikten de onderzoekers een conversie-efficiëntie waarbij 77 procent van het ingangsvermogen van de laser succesvol werd getransformeerd in de nieuwe lichtkam. Nog indrukwekkender is dat wanneer ze het apparaat optimaliseerden om een vlak, uniform spectrum te creëren, ze nog steeds 32 procent van het vermogen konden omzetten, wat een totaal vermogen van 187 milliwatt opleverde. Dit is een enorme sprong voorwaarts, aangezien het meer dan tien keer de kracht produceert van de beste eerdere systemen. Het apparaat werkt met een spanning die zo laag is dat er minder dan anderhalve volt nodig is om op hoge snelheid te functioneren, waardoor het compatibel is met standaard elektronische circuits.

De onderzoekers hebben aangetoond dat deze technologie werkt over een breed scala aan kleuren, reikend over de S-, C- en L-banden die in de telecommunicatie worden gebruikt. Door drie verschillende laserinputs te combineren, breidden ze de totale dekking uit naar een enorm deel van het optische spectrum. De stabiliteit en precisie van het apparaat betekenen dat de afstand tussen de lichtlijnen volledig wordt bepaald door het microgolfsignaal dat het aanstuurt, wat zorgt voor een exacte controle die met andere methoden moeilijk te bereiken is. Dit niveau van controle en vermogen opent de deur naar nieuwe mogelijkheden in sensing en communicatie. Zo zou een dergelijke krachtige kam gebruikt kunnen worden om sporen van gassen in de atmosfeer te detecteren of om klokken met extreme precisie te synchroniseren.

Het pad naar dit resultaat vereiste een zorgvuldige herontwerp van de interne architectuur van de chip. Het team begon met het karakteriseren van kortere secties van het apparaat om te garanderen dat de microgolfsignalen lange afstanden konden afleggen zonder aan kracht te verliezen. Ze ontdekten dat ze, door dikkere metalen elektroden en een specifieke lay-out te gebruiken, de microgolfverlies extreem laag konden houden. Zodra ze bevestigden dat de signalen grote afstanden konden afleggen zonder te vervagen, implementeerden ze de vouwtechniek. Dit hield in dat de lichtgolf door het elektrische veld werd geleid, om vervolgens te buigen zodat deze weer door hetzelfde veld passeerde, maar op een manier waarop de elektrische duw bleef optellen in plaats van elkaar tegen te werken. Deze constructieve accumulatie stelde hen in staat om een enorme modulatie-diepte op te bouwen, waardoor de lichtgolf effectief in honderden nieuwe frequenties werd getordeerd.

Het succes van dit werk suggereert dat de beperkingen van grootte en efficiëntie in de geïntegreerde fotonica kunnen worden overwonnen door een betere engineering van de interactie tussen licht en elektriciteit. De onderzoekers merken op dat hun aanpak schaalbaar is, wat betekent dat dezelfde principes gebruikt kunnen worden om zelfs nog langere interactiepaden te bouwen indien nodig. Dit zou uiteindelijk kunnen leiden tot apparaten die de kloof tussen het microgolf- en het optische domein overbruggen over afstanden die de halve meter benaderen, terwijl ze compact genoeg blijven om op een enkele chip te passen. Het vermogen om hoogvermogen, breedbandige lichtkammen met een dergelijke efficiëntie te genereren, markeert een belangrijke stap naar het toegankelijker en praktischer maken van geavanceerde optische technologieën voor dagelijks gebruik in communicatie, sensing en computing.