Para peneliti telah menciptakan sisir elektro-optik ultra-broadband baru yang mengemas presisi cahaya 450 nm ke dalam chip yang lebih kecil dari koin, membuka jalan bagi perangkat fotonik yang lebih pintar, lebih efisien.
Di dunia optik modern, sisir frekuensi adalah alat yang tak ternilai. Perangkat ini bertindak sebagai penguasa untuk mengukur cahaya, memungkinkan terobosan dalam telekomunikasi, pemantauan lingkungan, dan bahkan astrofisika. Tetapi membangun sisir frekuensi yang ringkas dan efisien telah menjadi tantangan-sampai sekarang.
Sisir frekuensi elektro-optik, diperkenalkan pada tahun 1993, menunjukkan janji dalam menghasilkan sisir optik melalui modulasi fase bertingkat tetapi kemajuan melambat karena tuntutan daya tinggi dan bandwidth terbatas. Hal ini menyebabkan lapangan didominasi oleh laser femtosecond dan mikrokombs Kerr Soliton, yang, meskipun efektif, membutuhkan penyetelan yang kompleks dan daya tinggi, membatasi penggunaan yang siap di lapangan.
Tetapi kemajuan terbaru dalam sirkuit fotonik terintegrasi elektro-optik film tipis telah diperbarui, dengan bahan-bahan seperti lithium niobate. Meskipun demikian, mencapai bandwidth yang lebih luas dengan daya yang lebih rendah tetap menjadi tantangan, birefringence intrinsik (membelah balok cahaya) dari lithium niobate juga menetapkan batas atas untuk bandwidth yang dapat dicapai.
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.
Ukuran kompak perangkat, pemasangan dalam jejak 1×1 cm², dimungkinkan dengan memanfaatkan birefringence bawah 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.
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.
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.
Referensi
JUNYIN ZHANG, Chengli Wang, Connor Denney, Johann Riemensberger, Grigory Lihachev, Jianqi Hu, Wil Kao, Terence Blésin, Nikolai Kundesin, Zihan LI, Mikhail Churaev, Xin OU, Gabriel Santamaria-Botell-Botell. Sisir frekuensi elektro-optik terintegrasi Ultrabroadband dalam lithium tantalate. Alam 22 Januari 2024. DOI: 10.1038/S41586-024-08354-4
