- Neue optische Frequenzkamm-Chips können mehrere Messaufgaben ausführen und treiben tragbare Atomuhren und Navigationssysteme voran.
- Die SParCS-Methode kombiniert zwei Laser unterschiedlicher Frequenz und löst das Stabilitätsproblem des Frequenzkamms.
- Der Chip erreicht in Stabilität und Rauschverhalten die Leistung großer Tischsysteme und besitzt breites Anwendungspotenzial.
- Das Forschungsteam plant, den Frequenzbereich zu erweitern, und prüft die Möglichkeit eines Betriebs mit einem einzelnen Laser.
Forschende haben einen chipbasierten optischen Frequenzkamm vorgestellt, der in entscheidenden Tests mit großen Tischsystemen vergleichbar ist und es zugleich ermöglicht, dass ein einzelnes Gerät mehrere Messaufgaben übernimmt – ein wichtiger Schritt hin zu tragbaren Atomuhren und GPS-freien Navigationssystemen. Das Gerät nutzt ein neues Verfahren namens selbstausgerichtete parametergetriebene Hohlraumsolitonen (SParCS). Ein optischer Frequenzkamm erzeugt eine Reihe präzise abgestandener optischer Frequenzen und bildet so ein Lineal, mit dem Wissenschaftler optische Frequenzen messen und mit elektronischen Signalen verknüpfen können. Forschende des Joint Quantum Institute (JQI), des National Institute of Standards and Technology (NIST) und internationaler Partner testeten den Chip, indem sie Mikrowellensignale (Milliarden Schwingungen pro Sekunde) mit optischen Quellen verknüpften, die mit Hunderten Megahertz pro Sekunde arbeiten.
In einem Atomuhr-Test wandelte der Chip eine äußerst stabile optische Referenz in ein Mikrowellensignal um, das herkömmliche Elektronik auslesen kann. Die gemessene rohe optische Frequenz von hunderten Megahertz Schwingungen pro Sekunde wich vom erwarteten Atomwert um etwa 100.000 Schwingungen pro Sekunde ab.
Die Innovation der SParCS-Methode
Herkömmliche Chip-Frequenzkämme injizieren typischerweise einen Laser in einen mikroskopischen Ringresonator. Der resultierende Frequenzkamm erstreckt sich zu beiden Seiten in der Frequenz, doch die äußeren „Zähne“ können schwächer und weniger gut definiert werden, was zusätzliche Geräte zu ihrer Verstärkung und Stabilisierung erfordert. SParCS hingegen nutzt zwei Laser unterschiedlicher Frequenz als Ränder oder „Buchstützen“ des Frequenzkamms. Dazwischen bilden sich die weiteren Frequenzen. Die Forschenden kombinierten diesen Ansatz mit einer Synchronisationstechnik, um die Frequenzlinien zu einem nutzbaren Kamm auszurichten. Damit lösten sie das Problem, das bei der ersten Demonstration parametergetriebener Hohlraumsolitonen 2024 aufgetreten war.
Jener Versuch erzeugte mehrere sich überlagernde Frequenzlinien, was das Gerät für praktische Messungen schwer nutzbar machte. Das Zwei-Laser-Design ermöglichte den Forschenden zudem, einen Frequenzkamm zu erzeugen, der eine Oktave überspannt – das heißt, die höchste Frequenz beträgt etwa das Doppelte der niedrigsten. Dieser Bereich ist entscheidend, um den Nullfrequenzversatz des Kamms zu bestimmen, eine für präzise Frequenzmessungen erforderliche Kalibrierung.
Leistungsvergleich des Chips
Die Forschenden verglichen den Chip direkt mit einem herkömmlichen Tisch-Frequenzkamm, wobei sie dieselben Mikrowellen- und Optikquellen verwendeten. In ihrem Testbereich entsprach die Stabilität und das Rauschverhalten der vom Chip erzeugten Frequenzen weitgehend denen des großen Systems. Das Team führte auch die umgekehrte Umwandlung durch und übertrug die Stabilität einer optischen Quelle auf ein Mikrowellensignal. Mit einer niedrigrauschigen Laserreferenz erzeugte der Chip ein niedrigrauschiges Mikrowellensignal – eine Fähigkeit, die auch Radaren und anderen Präzisionsmesssystemen zugutekommen könnte. Wichtig: Die Forschenden nutzten in verschiedenen Demonstrationen denselben Chip und änderten lediglich die angeschlossene Lichtquelle, statt für jede Anwendung einen spezialisierten Mikro-Frequenzkamm zu fertigen.
JQI-Forschungswissenschaftler Grégory Moille sagte: „Als Experimentator vereinfacht dieser neue optische Frequenzkamm viele unserer Arbeiten – dieses System ermöglicht es, dass ein einzelner Bediener jede Anwendung handhaben kann.“
Die Forschenden wiesen darauf hin, dass frühere Chip-basierte Frequenzkamm-Experimente oft mehrere Personen Wochen oder Monate in Anspruch nahmen, bis brauchbare Ergebnisse vorlagen. Ihr Labor hat nun den Großteil der Mikro-Frequenzkamm-Experimente auf SParCS umgestellt und im vergangenen Jahr mehr als zehnmal so viele Mikro-Frequenzkämme stabilisiert wie in allen Vorjahren zusammen. Das Team plant weiterhin, den Frequenzbereich zu erweitern, und untersucht, ob die Methode künftig mit einem einzelnen Laser betrieben werden kann. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Die Auswirkungen des neuen Chips auf die Frequenzmessung
Das Erscheinen des neuen optischen Frequenzkamm-Chips markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Frequenzmesstechnik. Durch die SParCS-Methode gelang es den Forschenden, Stabilität und Genauigkeit des Frequenzkamms zu steigern, wodurch die Realisierung tragbarer Atomuhren und Navigationssysteme greifbarer wird. Diese Technologie vereinfacht nicht nur den Experimentierprozess, sondern erhöht auch die Effizienz erheblich und besitzt potenziellen Anwendungswert für künftige Präzisionsmesssysteme wie Radar. Mit fortschreitender Forschung würde eine Realisierung des Einzel-Laser-Betriebs die Verbreitung und Anwendung dieser Technologie weiter vorantreiben.