O logotipo do NIST conforme explicitado pelo sintetizador de frequência óptica do NIST. As linhas de grade são os valores esperados das frequências programadas no dispositivo para esta demonstração e os círculos são as frequências medidas. O eixo vertical é a freqüência e o eixo horizontal é o tempo da medição em segundos. Crédito:Spencer / NIST
Em um avanço que poderia reduzir muitas tecnologias de medição, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e parceiros demonstraram os primeiros dispositivos miniaturizados que podem gerar as frequências desejadas, ou cores, de luz com precisão suficiente para ser rastreada para um padrão de medição internacional.
Os pesquisadores combinaram um par de pentes de frequência, um mini-laser sintonizável e eletrônicos para criar um sintetizador óptico de frequência. O avanço transfere a capacidade de programar frequências ópticas de instrumentos em escala de mesa para três chips de silício, ao mesmo tempo em que mantém alta exatidão e precisão.
Assim como os chips de rádio e micro-ondas impulsionaram a revolução eletrônica, a miniaturização de sintetizadores ópticos de frequência para torná-los portáteis e adequados para a fabricação de alto volume deve impulsionar campos como cronometragem, comunicações, monitoramento de gases traço e astronomia.
O protótipo de sintetizador é descrito no jornal Natureza , em um artigo publicado online em 25 de abril. Os pentes de frequência são uma tecnologia com o prêmio Nobel desenvolvida no NIST e são cruciais para os relógios atômicos experimentais mais recentes.
"Ninguém sabia como fazer um sintetizador óptico de frequência usando pequenos chips, ", Disse o co-autor do NIST, Scott Papp." Esta é a primeira descoberta que mostra que você pode fazer isso. Até agora, ninguém nunca usou um pente de frequência em escala de chip para fazer metrologia totalmente rastreável a um padrão internacional. "
O projeto foi liderado por físicos do NIST em Boulder, Colorado, com um chip pente feito no California Institute of Technology (Caltech em Pasadena, Califórnia) e o segundo chip pente feito no NIST's Center for Nanoscale Science and Technology (em Gaithersburg, Maryland.). A Universidade da Califórnia em Santa Bárbara desenvolveu um chip laser semicondutor programável.
Cada um dos três chips tem cerca de 5 milímetros por 10 milímetros. Com mais avanços em materiais e fabricação, os chips provavelmente serão empacotados juntos por uma das instituições parceiras do NIST, Papp disse.
Em um pente de frequência de mesa de tamanho normal - normalmente montado à mão com componentes de metal e vidro - a luz do laser circula dentro de uma cavidade óptica, um conjunto especializado de espelhos, para produzir um conjunto de linhas igualmente espaçadas que se parece com um pente de cabelo em que cada "dente" é uma cor individual. Nas versões baseadas em chip, as cavidades são planas, pistas circulares fabricadas em silício usando técnicas automatizadas semelhantes às usadas na fabricação de chips de computador.
O novo sintetizador óptico usa apenas 250 miliwatts (milésimos de watt) de potência óptica no chip - muito menos do que um clássico, pente de frequência em tamanho real.
A saída do sintetizador é o laser programável, cujas oscilações de ondas de luz servem como tiques de relógio óptico rastreáveis ao segundo SI, o padrão internacional de tempo baseado nas vibrações de microondas do átomo de césio. O laser de saída é guiado pelos dois pentes de frequência, que fornecem links sincronizados entre frequências de microondas e ópticas.
Foto composta da bancada de teste para o sintetizador de frequência óptica baseado em chip do NIST. Um componente chave, O pente de frequência do NIST em um chip, é montado na configuração no canto inferior esquerdo. Uma saída de amostra do sintetizador programável, um espectro de frequência óptica, é mostrado no meio à direita. Os componentes do sintetizador fornecem integração adicional em pacotes facilmente portáveis. Crédito:Burrus / NIST
Cada pente é criado a partir da luz emitida por um laser "bomba" de cor única. O pente do NIST tem 40 micrômetros (milionésimos de metro) de diâmetro. Este pente tem um amplo espaçamento entre os dentes, mas pode se calibrar abrangendo uma oitava, que, como na música, refere-se ao intervalo entre duas notas que têm metade ou duas vezes a frequência uma da outra. Este recurso calibra o sintetizador.
A pista de corrida é um guia de ondas personalizado feito de nitreto de silício, que oferece propriedades especiais que ampliam o espectro de luz, concentre a luz em uma pequena área para aumentar a intensidade, pode ser ajustado por meio de mudanças na geometria, e podem ser feitos como chips de computador por técnicas litográficas.
O pente Caltech é fisicamente maior, cerca de 100 vezes mais largo e feito de sílica fundida. Mas os dentes deste pente são muito mais finos e abrangem uma faixa de comprimento de onda muito mais estreita - na faixa de 1550 nanômetros usada para telecomunicações, o foco da demonstração do sintetizador. O espaçamento entre os dentes é uma frequência de micro-ondas que pode ser medida e controlada em relação ao segundo SI. Por meio de um processo de conversão matemática digital, este pente de dentes finos identifica estável, frequências ópticas precisas dentro do espaçamento mais amplo do pente NIST calibrado.
Assim, os dois combs funcionam como um multiplicador de frequência para converter os tique-taques do relógio do microondas para o domínio óptico, mantendo a precisão e estabilidade.
A equipe de pesquisa demonstrou o sistema sintetizando uma gama de frequências ópticas na banda de telecomunicações e caracterizando o desempenho com um pente de frequência separado derivado do mesmo relógio. Os pesquisadores demonstraram a arquitetura do sistema, verificou a precisão da síntese de frequência, e confirmou que o sintetizador ofereceu sincronização estável entre o relógio e a saída do pente.
