تقنية جائزة نوبل على رقاقة

مشط التردد الأول المتولد على مقياس ميكرومتر

على عكس الطيف الملون الذي ينشأ عندما يمر الضوء من خلال المنشور ، يحتوي الضوء الناتج عن المجهر المصغر على خطوط طيفية ذات ترددات متساوية. © MPQ
قراءة بصوت عال

في عام 2005 ، حصل الفيزيائي ثيودور هانش على جائزة نوبل عن مشط تردد الليزر ، وهو أداة لقياس الترددات الضوئية. لقد ذهب الفيزيائيون الآن خطوة واحدة إلى الأمام: لقد نجحوا في توليد أمشاط تردد مع مكبر صوت بقياس 75 ميكرون فقط. يمكن لمثل هذه أمشاط التردد على رقاقة أن تحدث ثورة في تقنيات حفظ الوقت ونقل البيانات ، كما ورد في "الطبيعة".

من حيث المبدأ ، مشط التردد هو نوع من المسطرة ، والتي يمكن من خلالها تحديد الترددات الضوئية غير المعروفة بدقة عالية. في النهج الذي اتبعته Hänsch و Hall ، يعتمد جيله على عملية اقتران في أشعة الليزر قصيرة النبض. هذا يخلق ضوء الليزر الذي يحتوي على حوالي 100000 من الخطوط الطيفية المتقاربة التي يكون تباعد ترددها دائمًا هو نفسه والمعروف تمامًا - وهذا هو سبب مصطلح "المشط". إذا قمت بتراكب مشط التردد هذا مع حزمة ليزر أخرى ، فيمكن تحديد وتيرة الضرب الناتج بدقة غير مسبوقة. يحتوي مشط التردد من هذا النوع على العديد من المكونات الضوئية وبالتالي فهو مكلف للغاية.

شعاع الليزر في أسلاك متناهية الصغر

نجحت مجموعة ماكس بلانك جونيور للأبحاث التابعة لشركة Tobias Kippenberg بالتعاون مع رونالد هولزوارث من شركة Menlo Systems في إنشاء مشط تردد باستخدام بنية دقيقة صغيرة. في تجربتهم ، استخدم العلماء مرنانًا زجاجيًا حلقيًا يبلغ قطره 75 ميكرومتر فقط ، يتم تصنيعه على رقاقة سيليكون ويتم تصنيعه على كرسي فيزياء الحالة الصلبة بجامعة لودفيغ ماكسيميليان في ميونيخ (LMU).

تتالي الناجمة عن اثنين من الفوتونات

من خلال تمرير شعاع الليزر في "سلك نانو" مصنوع من الزجاج بالقرب منه ، فإنهم يقرنون الضوء في هذا الهيكل المترابط. يمكن لمثل هذه الرنانات الضوئية تخزين الضوء لفترة طويلة نسبيًا. قد يؤدي ذلك إلى شدة ضوئية عالية للغاية - أي كثافة الفوتون - تحدث فيها ثروة من التأثيرات غير الخطية. ومثل "تأثير Kerr" غير الخطي هو ما يجعل تكوين مشط التردد ممكنًا:

في عملية مكونة من 4 فوتون ، يتم تحويل كوانتين ضوئيتين متساويتين في الطاقة إلى فوتونين ، يحتوي أحدهما على كمية أعلى ، والآخر أقل من الطاقة الأصلية. يمكن للفوتونات المولَّدة حديثًا أن تتفاعل بدورها مع كوانتا الضوء الأصلي وبدوره تولد ترددات جديدة. ينتج هذا الشلال مجموعة واسعة من الترددات بشكل مدهش دون تضخيم وسط ليزر نشط ، وهو أمر ضروري في الطريقة التقليدية. عرض

يقول باسكال ديلهاي ، طالب دكتوراه في المشروع: "من المثير للاهتمام ، أنه لم يكن هناك ما يشير في الأدب إلى أن نوى التردد يمكن إنتاجها بهذه الطريقة". "هذه عملية تطوير جديدة تمامًا ، واجهناها عن طريق الصدفة تقريبًا" ، يؤكد كيبنبرغ.

ومع ذلك ، فإن الطريقة الجديدة مناسبة فقط إذا كانت المسافة بين جميع الترددات المتولدة دائمًا هي نفسها تمامًا وبهذه الطريقة - على الرغم من أن المشغلات الدقيقة نفسها ليس لديها طيف وضع متساوي تمامًا - يتم إنشاء مشط مثالي. في قياسات دقيقة مطولة ، قارن Del'Haye و Albert Schlie er ، بالتعاون مع Ronald Holzwarth ، طيف مشط التردد المنتج بشكل أحادي مع مشط تجاري من صنع Menlo Systems. لقد أظهروا أن الترددات المولدة في microresonator هي في الواقع متساوية المقاومة.

تطبيق في الاتصالات السلكية واللاسلكية

يمكن استخدام مشط التردد الجديد في المستقبل لتحديد التردد البصري وبالتالي أيضًا لبناء الساعات بدقة عالية للغاية. هناك مجال آخر مثير للاهتمام للغاية في مجال الاتصالات الضوئية: في حين أن مشط التردد التقليدي يجعل الخطوط كثيفة للغاية وقاتمة للغاية ، فإن ما يقرب من 130 خطًا طيفيًا من مشط التردد المتجانسة لها مسافة تبلغ حوالي 400 جيجا هرتز وقوة في ترتيب بحجم ميللي واط واحد (0 ديسيبل). هذا يتوافق بشكل جيد إلى حد ما مع المتطلبات النمطية لـ "ناقلات" قنوات البيانات في الاتصالات البصرية القائمة على الألياف.

في حين أن هناك حاجة إلى مولد منفصل مع الليزر الخاص بها لكل قناة تردد ، فإن النهج الجديد يسمح لجهاز واحد بتحديد مجموعة متنوعة من قنوات البيانات.

لم يتم فهم جميع جوانب عملية التطوير حتى الآن ، وما زالت هناك حاجة إلى استخدام التكنولوجيا قبل أن يتم استخدام مشط التردد في الممارسة العملية. ومع ذلك ، في ضوء إمكانات التطبيق العالية ، تقدم العلماء بالفعل للحصول على براءة اختراع لاكتشافهم في جميع أنحاء العالم.

تم تطوير العمل ، الذي يتم عرضه حاليًا في مجلة Nature ، كجزء من مجموعة التميز "Nanosystems Initiative Munich" ، والتي تهدف إلى تطوير ، بحث وتطبيق البنى النانوية الوظيفية للتطبيقات في الطب ومعالجة المعلومات ،

(معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية ، 24.12.2007 - NPO)