Os lasers desempenham um papel vital em tudo, desde comunicações modernas e conectividade até biomedicina e fabricação. Muitos aplicativos, Contudo, exigem lasers que podem emitir várias frequências - cores de luz - simultaneamente, cada um separado com precisão como o dente de um pente.

Pentes de frequência óptica são usados ​​para monitoramento ambiental para detectar a presença de moléculas, como toxinas; em astronomia para procurar exoplanetas; em metrologia de precisão e tempo. Contudo, eles permaneceram volumosos e caros, que limitaram suas aplicações. Então, pesquisadores começaram a explorar como miniaturizar essas fontes de luz e integrá-las em um chip para abordar uma gama mais ampla de aplicações, incluindo telecomunicações, síntese de microondas e alcance óptico. Mas por enquanto, os combs de frequência no chip têm lutado com a eficiência, estabilidade e controlabilidade.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson e da Universidade de Stanford desenvolveram um sistema integrado, pente de frequência no chip que é eficiente, estável e altamente controlável com microondas.

A pesquisa é publicada em Natureza .

"Em comunicações ópticas, se você quiser enviar mais informações por meio de um pequeno, cabo de fibra ótica, você precisa ter cores diferentes de luz que podem ser controladas de forma independente, "disse Marko Loncar, o Tiantsai Lin Professor de Engenharia Elétrica na SEAS e um dos autores sênior do estudo. "Isso significa que você precisa de cem lasers separados ou um pente de frequência. Desenvolvemos um pente de frequência que é elegante, forma integrada e eficiente de energia para resolver este problema. "

Loncar e sua equipe desenvolveram o pente de frequência usando niobita de lítio, um material conhecido por suas propriedades eletro-ópticas, o que significa que pode converter com eficiência sinais eletrônicos em sinais ópticos. Graças às fortes propriedades eletro-ópticas da niobita de lítio, o pente de frequência da equipe abrange toda a largura de banda de telecomunicações e melhorou drasticamente a capacidade de ajuste.

"Os combs de frequência no chip anteriores nos deram apenas um botão de sintonia, "disse o co-primeiro autor Mian Zhang, agora CEO da HyperLight e ex-bolsista de pesquisa de pós-doutorado no SEAS. "É como uma TV em que o botão de canal e o botão de volume são iguais. Se você quiser mudar o canal, você acaba mudando o volume também. Usando o efeito eletro-óptico de niobato de lítio, separamos efetivamente essas funcionalidades e agora temos controle independente sobre elas. "

Isso foi realizado usando sinais de microondas, permitindo as propriedades do pente - incluindo a largura de banda, o espaçamento entre os dentes, a altura das linhas e quais frequências estão ligadas e desligadas - para serem ajustadas independentemente.

"Agora, podemos controlar as propriedades do pente à vontade simplesmente com micro-ondas, "disse Loncar." É outra ferramenta importante na caixa de ferramentas ópticas.

"Esses pentes compactos de frequência são especialmente promissores como fontes de luz para comunicação óptica em data centers, "disse Joseph Kahn, Professor de Engenharia Elétrica em Stanford e outro autor sênior do estudo. "Em um data center - literalmente um prédio do tamanho de um depósito contendo milhares de computadores - os links ópticos formam uma rede que interconecta todos os computadores para que possam trabalhar juntos em tarefas de computação massivas. Um pente de frequência, fornecendo muitas cores diferentes de luz, pode permitir que muitos computadores sejam interconectados e troquem grandes quantidades de dados, satisfazendo as necessidades futuras de data centers e computação em nuvem.

O Harvard Office of Technology Development protegeu a propriedade intelectual relativa a este projeto. A pesquisa também foi apoiada por Ciências Físicas e Acelerador de Engenharia da OTD, que fornece financiamento translacional para projetos de pesquisa que mostram potencial para impacto comercial significativo.