Os pentes de frequência a laser no chip — lasers que emitem várias frequências ou cores de luz separadas simultaneamente como o dente de um pente — são uma tecnologia promissora para uma variedade de aplicações, incluindo monitoramento ambiental, computação óptica, astronomia e metrologia. No entanto, os pentes de frequência no chip ainda são limitados por um problema sério - eles nem sempre são eficientes. Existem várias maneiras de mitigar o problema de eficiência, mas todas elas sofrem de compensações. Por exemplo, os pentes podem ter alta eficiência ou largura de banda ampla, mas não ambos. A incapacidade de projetar um pente de frequência a laser no chip que seja eficiente e amplo frustrou os pesquisadores por anos e dificultou a ampla comercialização desses dispositivos.
Agora, uma equipe da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) desenvolveu um pente de frequência eletro-óptica que é 100 vezes mais eficiente do que as versões de última geração anteriores, e tem mais de duas vezes sua largura de banda.

"Nosso dispositivo abre caminho para geradores práticos de pente de frequência óptica e abre a porta para novas aplicações, disse Marko Lončar, professor de engenharia elétrica Tiantsai Lin na SEAS e autor sênior do estudo. "Ele também fornece uma plataforma para investigar novas áreas da física óptica."

A pesquisa é publicada em Nature Photonics .

Esse avanço se baseia em pesquisas anteriores de Lončar e sua equipe.

Em 2019, Lončar e seu laboratório demonstraram o primeiro pente de frequência estável no chip que pode ser controlado com micro-ondas. Este chamado pente de frequência eletro-óptico, construído na plataforma de niobato de lítio, pioneira no laboratório de Lončar, abrangia toda a largura de banda de telecomunicações, mas era limitada em sua eficiência. Em 2021, a equipe desenvolveu um dispositivo de ressonadores acoplados para controlar o fluxo de luz e os usou para demonstrar os deslocadores de frequência no chip – um dispositivo que pode alterar a cor da luz com quase 100% de eficiência.

A pesquisa mais recente aplica os dois conceitos para enfrentar o desafio dos pentes de frequência eletro-óptica baseados em ressonadores:troca de eficiência e largura de banda.

"Demonstramos que combinando essas duas abordagens - o ressonador acoplado com o pente de frequência eletro-óptica - poderíamos melhorar muito a eficiência sem sacrificar a largura de banda. Na verdade, melhoramos a largura de banda", disse Yaowen Hu, assistente de pesquisa da SEAS e primeiro autor do artigo.

"Descobrimos que quando você melhora o desempenho da fonte de pente para esse nível, o dispositivo começa a operar em um regime totalmente novo que combina o processo de geração de pente de frequência eletro-óptica com a abordagem mais tradicional de um pente de frequência Kerr", disse Mengjie Yu, ex-bolsista de pós-doutorado no SEAS e co-primeiro autor do artigo.

Yu é atualmente professor assistente na University of Southern California.

Este novo pente pode gerar pulsos ultrarrápidos de femtossegundos em alta potência. Juntamente com a alta eficiência e banda larga, este dispositivo pode ser útil para aplicações em astronomia, computação óptica, alcance e metrologia óptica.

A pesquisa foi co-autoria de Brandon Buscaino, Neil Sinclair, Di Zhu, Rebecca Cheng, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Mian Zhang e Joseph M. Kahn. + Explorar mais

Pente de frequência ajustável eletronicamente no chip