Chip optik frekuensi baru mendorong pengembangan jam atom portabel dan sistem navigasi

Peneliti memamerkan sebuah frekuensi optik berbasis chip yang dalam pengujian kunci setara dengan sistem meja besar, sambil memungkinkan satu perangkat menjalankan banyak tugas pengukuran, langkah penting menuju jam atom portabel dan sistem navigasi tanpa GPS. Perangkat ini menggunakan metode baru bernama self-aligned parameter-driven cavity soliton (SParCS). Frekuensi optik comb menghasilkan serangkaian frekuensi cahaya yang teratur, membentuk penggaris yang digunakan ilmuwan untuk mengukur frekuensi optik dan menghubungkannya ke sinyal elektronik. Peneliti dari Joint Quantum Institute (JQI), National Institute of Standards and Technology (NIST), dan mitra internasional menguji chip dengan menghubungkan sinyal mikrogelombang (bergetar puluhan miliar kali per detik) dengan sumber optik yang beroperasi pada ratusan triliun kali per detik.

Dalam satu pengujian jam atom, chip mengubah referensi optik yang sangat stabil menjadi sinyal mikrogelombang yang bisa dibaca perangkat elektronik konvensional. Frekuensi optik mentah yang diukurnya bergetar pada ratusan triliun kali per detik, berbeda sekitar 100.000 getaran per detik dari nilai atom yang diharapkan.

Inovasi Metode SParCS

Frekuensi comb chip konvensional biasanya memasukkan satu laser ke dalam rongga resonan cincin mikro. Comb yang dihasilkan meluas ke frekuensi di kedua sisi, tetapi 'gigi' di bagian tepi bisa jadi lemah dan tidak cukup jelas, memerlukan peralatan tambahan untuk memperkuat dan menstabilkannya. SParCS menggunakan dua laser berfrekuensi berbeda sebagai batas atau 'bookend' comb. Frekuensi lain terbentuk di antara keduanya. Peneliti menggabungkan metode ini dengan teknik sinkronisasi untuk menyelaraskan garis frekuensi menjadi comb yang bisa dipakai. Hal ini memecahkan masalah yang muncul saat tim pertama kali memamerkan parameter-driven cavity soliton pada 2024.

Eksperimen itu menghasilkan beberapa set garis frekuensi yang tumpang tindih, membuat perangkat sulit dipakai untuk pengukuran nyata. Desain dua laser juga memungkinkan peneliti menciptakan comb yang mencakup satu oktav, artinya frekuensi tertingginya kira-kira dua kali frekuensi terendah. Rentang ini krusial untuk menentukan offset frekuensi nol comb, sebuah kalibrasi yang dibutuhkan untuk pengukuran frekuensi presisi.

Perbandingan Performa Chip

Peneliti membandingkan chip ini langsung dengan comb frekuensi meja konvensional, menggunakan sumber mikrogelombang dan optik yang sama. Dalam rentang pengujian mereka, frekuensi yang dihasilkan chip memiliki stabilitas dan performa noise yang setara dengan sistem besar. Tim juga melakukan konversi terbalik, mengubah stabilitas sumber optik menjadi sinyal mikrogelombang. Dengan referensi laser ber-noise rendah, chip menghasilkan mikrogelombang ber-noise rendah, kemampuan yang juga berpotensi bermanfaat bagi radar dan sistem pengukuran presisi lain. Pentingnya, peneliti menggunakan chip yang sama di demonstrasi berbeda, hanya mengubah sumber cahaya yang terhubung, bukan membuat microcomb khusus untuk setiap aplikasi.

Ilmuwan peneliti JQI Grégory Moille berkata: "Sebagai eksperimentalis, comb frekuensi optik baru ini menyederhanakan banyak pekerjaan kami, sistem ini memungkinkan hanya satu operator yang diperlukan untuk menangani setiap aplikasi."

Peneliti menyarankan, eksperimen comb frekuensi berbasis chip dulu mungkin butuh beberapa orang selama minggu atau bulan untuk mendapatkan hasil nyata. Laboratorium mereka kini telah memindahkan sebagian besar eksperimen microcomb ke SParCS, dan dalam setahun terakhir menstabilkan jumlah microcomb lebih dari 10 kali lipat dari total semua tahun sebelumnya. Tim masih berencana memperluas rentang frekuensi, dan meneliti apakah metode ini akhirnya bisa beroperasi dengan laser tunggal. Penelitian ini telah diterbitkan di jurnal Nature.

Dampak Chip Baru Terhadap Pengukuran Frekuensi

Kehadiran chip comb frekuensi optik baru menandai kemajuan besar dalam teknologi pengukuran frekuensi. Melalui metode SParCS, peneliti berhasil meningkatkan stabilitas dan akurasi comb frekuensi, membuat realisasi jam atom portabel dan sistem navigasi lebih layak. Teknologi ini tidak hanya menyederhanakan proses eksperimen, tetapi juga meningkatkan efisiensi eksperimen secara signifikan, dan memiliki nilai aplikasi potensial bagi sistem pengukuran presisi masa depan seperti radar. Seiring penelitian mendalam, jika operasi laser tunggal dapat terealisasi, akan mendorong lebih jauh penyebaran dan penerapan teknologi ini.