El logotipo de NIST tal como lo explica el sintetizador de frecuencia óptica de NIST. Las líneas de cuadrícula son los valores esperados de las frecuencias programadas en el dispositivo para esta demostración y los círculos son las frecuencias medidas. El eje vertical es la frecuencia y el eje horizontal es el tiempo de la medición en segundos. Crédito:Spencer / NIST
En un avance que podría reducir muchas tecnologías de medición, Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y sus socios han demostrado los primeros dispositivos miniaturizados que pueden generar las frecuencias deseadas. o colores, de luz con la suficiente precisión para ser rastreado hasta un estándar de medición internacional.
Los investigadores combinaron un par de peines de frecuencia, un mini-láser sintonizable y electrónica para crear un sintetizador de frecuencia óptica. El avance transfiere la capacidad de programar frecuencias ópticas desde instrumentos de mesa a tres chips de silicio, manteniendo una alta precisión y precisión.
Así como los chips de radio y microondas impulsaron la revolución de la electrónica, la miniaturización de los sintetizadores de frecuencia óptica para hacerlos portátiles y adecuados para la fabricación de gran volumen debería impulsar campos como el cronometraje, comunicaciones, seguimiento de gases traza y astronomía.
El prototipo de sintetizador se describe en la revista. Naturaleza , en un artículo publicado en línea el 25 de abril. Los peines de frecuencia son una tecnología galardonada con el premio Nobel desarrollada en el NIST que son cruciales para los últimos relojes atómicos experimentales.
"Nadie sabía cómo hacer un sintetizador de frecuencia óptica usando pequeños chips, "Scott Papp, coautor del NIST, dijo." Este es el primer avance que demuestra que se puede hacer esto. Hasta ahora, nadie ha usado nunca un peine de frecuencia a escala de chip para hacer metrología que sea completamente rastreable a un estándar internacional ".
El proyecto fue dirigido por físicos del NIST en Boulder, Colorado, con un chip de peine fabricado en el Instituto de Tecnología de California (Caltech en Pasadena, California) y el segundo chip de peine fabricado en el Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del NIST (en Gaithersburg, Maryland.). La Universidad de California en Santa Bárbara desarrolló un chip láser semiconductor programable.
Cada una de las tres fichas mide aproximadamente 5 milímetros por 10 milímetros. Con nuevos avances en materiales y fabricación, los chips probablemente serán empaquetados juntos por una de las instituciones asociadas al NIST, Dijo Papp.
En un peine de frecuencia de mesa de tamaño completo, generalmente ensamblado a mano con componentes de metal y vidrio, la luz láser circula dentro de una cavidad óptica, un juego especializado de espejos, para producir un conjunto de líneas igualmente espaciadas que parece un peine en el que cada "diente" es de un color individual. En las versiones basadas en chips, las cavidades son planas, pistas de carreras redondas que se fabrican en silicio utilizando técnicas automatizadas similares a las que se utilizan en la fabricación de chips de computadora.
El nuevo sintetizador óptico utiliza solo 250 milivatios (milésimas de vatio) de potencia óptica en el chip, mucho menos que un clásico, peine de frecuencia de tamaño completo.
La salida del sintetizador es el láser programable, cuyas oscilaciones de ondas de luz sirven como pulsos de reloj óptico rastreables hasta el segundo SI, el estándar internacional de tiempo basado en las vibraciones de microondas del átomo de cesio. El láser de salida está guiado por los dos peines de frecuencia, que proporcionan enlaces sincronizados entre microondas y frecuencias ópticas.
Foto compuesta del banco de pruebas para el sintetizador de frecuencia óptica basado en chip del NIST. Un componente clave, Peine de frecuencia de NIST en un chip, está montado en la configuración en la parte inferior izquierda. Una salida de muestra del sintetizador programable, un espectro de frecuencias ópticas, se muestra en el centro a la derecha. Los componentes del sintetizador permiten una mayor integración en paquetes fácilmente portátiles. Crédito:Burrus / NIST
Cada peine se crea a partir de la luz emitida por un Láser de "bomba" de un solo color. El peine NIST tiene 40 micrómetros (millonésimas de metro) de diámetro. Este peine tiene un amplio espacio entre los dientes, pero puede calibrarse a sí mismo abarcando una octava, que, como en la música, se refiere al intervalo entre dos notas que tienen la mitad o el doble de frecuencia entre sí. Esta función calibra el sintetizador.
La pista de carreras es una guía de ondas personalizada hecha de nitruro de silicio, que ofrece propiedades especiales que amplían el espectro de luz, concentrar la luz en un área pequeña para aumentar la intensidad, se puede ajustar a través de cambios en la geometría, y pueden fabricarse como chips de computadora mediante técnicas litográficas.
El peine Caltech es físicamente más grande, aproximadamente 100 veces más ancho y hecho de sílice fundida. Pero los dientes de este peine son mucho más finos y abarcan un rango de longitud de onda mucho más estrecho, en la banda de 1550 nanómetros utilizada para telecomunicaciones, el foco de la demostración del sintetizador. El espacio entre los dientes es una frecuencia de microondas que se puede medir y controlar en relación con el segundo SI. A través de un proceso de conversión matemática digital, este peine de dientes finos identifica estable, frecuencias ópticas precisas dentro del espacio más amplio del peine NIST calibrado.
Por lo tanto, los dos peines funcionan como un multiplicador de frecuencia para convertir los tics del reloj del microondas al dominio óptico mientras se mantiene la precisión y la estabilidad.
El equipo de investigación demostró el sistema sintetizando un rango de frecuencias ópticas en la banda de telecomunicaciones y caracterizando el rendimiento con un peine de frecuencia separado derivado del mismo reloj. Los investigadores demostraron la arquitectura del sistema, verificado la precisión de la síntesis de frecuencia, y confirmó que el sintetizador ofrecía una sincronización estable entre el reloj y la salida de peine.
