پیشرفت‌های تکنولوژی فوتونیک و حسگر با شانه الکترو-نوری به اندازه سکه با دقت ۴۵۰ نانومتر
محققان یک شانه الکترو-نوری فوق‌العاده گسترده را توسعه داده‌اند که بر روی تراشه‌ای به اندازه سکه جا می‌گیرد.
این دستگاه دقت نوری ۴۵۰ نانومتری را به دست می‌آورد، پهنای باند را تقویت می‌کند و نیاز به توان مایکروویو را تقریباً ۲۰ برابر کاهش می‌دهد، که به تکنولوژی‌های فوتونیک کارآمدتر و پیشرفته‌تر منجر می‌شود.
این تیم متشکل از اعضایی از EPFL، مدرسه معدن کلرادو و آکادمی علوم چین بود.
طبق گفته محققان، این نوآوری پتانسیل داشتن سیستم‌های نوری هوشمندتر و کارآمدتر را دارد که در کاربردهایی از ارتباطات تا حسگرها مفید خواهد بود.
نوآوری نوری نسل آینده
شانه‌های فرکانسی ابزارهای ضروری در زمینه اپتیک مدرن هستند. این ابزارها به عنوان حکام اندازه‌گیری نور عمل می‌کنند و پیشرفت‌هایی در ستاره‌شناسی، پایش محیط زیست و مخابرات ایجاد می‌کنند. اما ساخت شانه‌های فرکانسی کوچک و مؤثر تاکنون دشوار بوده است.
شانه‌های فرکانسی الکترو-نوری که در سال ۱۹۹۳ معرفی شدند، پتانسیل تولید شانه‌های نوری را از طریق تعدیل فاز تجمیعی نشان داده‌اند، اما به دلیل نیاز به توان بالای آنها و پهنای باند محدود، پیشرفت‌ها متوقف شده است. در نتیجه، لیزرهای فمتوثانیه و میکروکام‌های کری سالیون میدان را در دست گرفته‌اند. هرچند که کارآمد هستند، توان بالا و تنظیمات پیچیده آنها کاربرد در میدان را محدود کرده است.
با این حال، با مواد مانند لیثیم نیوبات، توسعه‌های اخیر در مدارات فوتونیک یکپارچه نازک‌فیلم الکترو-نوری علاقه‌مندی را دوباره زنده کرده است. درخشندگی ذاتی (شکست پرتوهای نور) لیثیم نیوبات حداکثر محدودیتی برای پهنای باند ممکن ایجاد می‌کند و دست یافتن به پهنای باند گسترده‌تر با توان کمتری را دشوار می‌سازد.
برای رفع این مسئله، محققان یک مولد شانه فرکانسی الکترو-نوری با استفاده از یک پلتفرم جدید لیتیم تانتالات طراحی کردند. این ماده که دارای درخشندگی ذاتی ۱۷ برابر کمتری نسبت به لیثیم نیوبات است، طراحی‌های پیشرفته مایکروویو و مدارات نوری را ترکیب می‌کند.
این نوآوری به پوشش طیفی بی‌سابقه ۴۵۰ نانومتری دست می‌یابد و بیش از ۲۰۰۰ خط شانه تولید می‌کند. علاوه بر این، پهنای باند را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد و نیاز به توان مایکروویو را نسبت به طرح‌های قبلی تقریباً ۲۰ برابر کاهش می‌دهد، که راه را برای تکنولوژی‌های فوتونیک کارآمدتر هموار می‌سازد.
مهندسی فرکانسی پیشرفته
مولد شانه فرکانسی الکترو-نوری نوآورانه دارای معماری 'سه‌گانه رزونانسی یکپارچه' است.
طراحی با تلفیق سه میدان رزونانسی - دو نوری و یکی مایکروویو - از طریق سیستم طراحی مشترک که مدارهای مایکروویو مجتمع شده با اجزای فوتونیک را تلفیق می‌کند.
یک رزوناتور موج‌بر کوپل‌نار توزیعی که در مدارات مجتمع فوتونیک لیتیم تانتالات قرار داده شده است، محبوس‌شدن مایکروویو و کارآمدی انرژی را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.
این دستگاه با ابعاد ۱×۱ cm² جمع و جور، از درخشندگی کم لیتیوم تانتالات برای به حداقل رساندن تداخل بین امواج نور استفاده می‌کند. این ویژگی تولید شانه فرکانسی صاف و پیوسته را در یک پلتفرم کوچک و کارآمد ممکن می‌سازد. برخلاف سیستم‌های کری سالیون، این شانه با استفاده از دیود لیزری بازخورد توزیعی ساده و بدون نیاز به تنظیمات پیچیده کار می‌کند.
با یک گستره طیفی ۴۵۰ نانومتری برجسته، دستگاه عملکرد تکنولوژی‌های شانه فرکانسی الکترو-نوری کنونی را پشت سر می‌گذارد. این دستگاه عملکرد پایدار را در ۹۰ درصد از محدوده طیفی آزاد خود حفظ می‌کند و نیاز به مکانیزم‌های تنظیم پیچیده را حذف می‌کند.
این معماری نه تنها پهنای باند عملیاتی را گسترش می‌دهد بلکه استقرار را تسهیل می‌کند، و راه را برای کاربردهای عملی در ارتباطات، حسگرها و فراتر از آن هموار می‌سازد.
طبق گفته محققان، با ترکیب کارایی بالا، اندازه کم و سادگی عملیاتی، این پیشرفت نشان‌دهنده یک گام مهم در نوآوری تکنولوژی فوتونیک است.
«این دستگاه جدید می‌تواند در دنیای فوتونیک تحول آفرین باشد. با طراحی محکم و اندازه جمع و جور، می‌تواند در زمینه‌های مانند رباتیک که دقت در سنجش لیزری حیاتی است، و پایش محیطی که اندازه‌گیری دقیق گاز اهمیت دارد، تاثیرگذار باشد.» تیم در یک بیانیه گفت.
آنها همچنین ادعا می‌کنند که روش طراحی مشترک نشانگر پتانسیل عظیم تلفیق مایکروویو و مهندسی فوتونیک برای دستگاه‌های پیشرفته آینده است.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله علوم منتشر شد.
