Fuchuan Lei och ett mikrochip med en mikrokam
​Forskarna Fuchuan Lei (på bilden), Victor Torres Company och deras kollegor vid Chalmers tekniska högskola presenterar nya insikter om hur frekvenskammar på ett chip kan mäta mer exakt och möjliggöra optiska tillämpningar för modern frekvensmätteknik. Till exempel kan små fotoniska enheter användas för att upptäcka nya exoplaneter eller övervaka vår hälsa.​

Skarpare tänder ger mikrokammar nya möjligheter

​Mikrokammar har vitt skilda användningsområden – de kan hjälpa oss med att upptäcka planeter utanför vårt solsystem såväl som att spåra sjukdomar i våra kroppar. Nya forskningsresultat vid Chalmers tekniska högskola ger nu en djupare förståelse för hur linjebredden i kammarna fungerar, något som bland annat kommer att möjliggöra ännu mer exakta mätningar i framtiden. Och upptäckten gjordes nästan av en slump.
​En linjal gjord av ljus. Det är den förenklade jämförelsen som vanligtvis används för att beskriva vad en mikrokam är. I väldigt korta drag bygger principen på att en laser sänder ett ljus som cirkulerar inuti ett litet hålrum, en så kallad mikroresonator. Där delas ljuset upp i en mängd olika färger, eller frekvenser. Frekvenserna är i sig exakt placerade i förhållande till varandra, liknande markeringarna på en linjal.
 
I dag kan i stort sett alla optiska mätningar kopplas till ljusfrekvenser, och det ger mikrokammarna en uppsjö av olika användningsområden – allt från att kalibrera instrument som mäter signaler på ljusårsavstånd, till att identifiera och hålla koll på vår hälsa via luften som vi andas ut.

Nya insikter om kammarnas linjer

– Laserfrekvenskammar har revolutionerat forskning som bygger på frekvensmätteknik, säger Victor Torres Company, professor vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, MC2, vid Chalmers.

En nyckelfråga när man arbetar med mikrokammar är hur smala frekvenskamlinjerna är. Den rådande uppfattningen fram till för några år sedan var att linjerna inte kan vara smalare än ingångsljuset från lasern. När forskare började undersöka detta mer ingående upptäcktes att linjerna längre ut från lasern är lite bredare än de centralt placerade linjerna. Störningskällor i mikroresonatorn ansågs vara orsaken till detta.

När Fuchuan Lei, forskare vid MC2, testade dessa teorier och gjorde experimenten med enheter tillverkade vid MC2:s nanofabrikationslaboratorium, upptäckte han att några av linjerna faktiskt var smalare än ljuset från själva laserkällan. Han spårade alla källor som kan påverka linjebredden eller renheten hos linjerna, upprepade experimenten och fortsatte att få samma resultat.

En ny teori på plats

Vi förstod inte varför, men baserat på dessa resultat utvecklade vi en teoretisk modell som förklarade vad som hände, gjorde simuleringar och bekräftade via experiment att vår modell var korrekt, säger Victor Torres Company. Tidigare var det inte klart hur de olika störande mekanismerna skulle påverka linjebredden på kamlinjerna i mikrokammen.

– Först tänkte vi att något måste vara fel, men när vi väl hade vår teori på plats var allt klart, säger Fuchuan Lei.

Hur smala markeringarna är i en mikrokam har stor betydelse för hur den kan användas. En mikrokam med snävt placerade markeringar möjliggör ännu mer exakta mätningar, och därför är förståelsen om varför linjerna är smalare en nyckelfråga i utvecklingen av mikrokammar. Victor Torres Company jämför det med linjaler gjorda av olika typer av material.

Möjligt att mäta mer exakt

– Föreställ dig att du skulle rita markörer med en krita jämfört med om du skulle göra det med en kulspetspenna. Du kan definiera ett rutnät, du kan definiera avståndet, men med en penna kan du mäta mer exakt för då har du en linjal med mycket mer väldefinierade märken, säger han.

Det som ursprungligen stod ut som en märklig upptäckt, kom sedermera att avslöja de fysiska mekanismerna för vad som får linjerna i mikrokammen att variera i linjebredd.

Tack vare vår forskning och publikation kommer de som arbetar med utformningen av denna typ av enheter att förstå hur de olika bruskällorna påverkar de olika parametrarna och mikrokammens prestanda, säger Victor Torres Company.

Mer om den vetenskapliga artikeln och forskningen

Artikeln "Optical linewidth of soliton microcombs" publicerades i Nature Communications och skrevs av Fuchuan Lei, Zhichao Ye, Óskar B. Helgason, Attila Fülöp, Marcello Girardi och Victor Torres Company vid Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola, Sverige.

Enheterna som använts i forskningen tillverkades på Myfab Chalmers. Forskningen har finansierats av Europeiska forskningsrådet, Knut Alice Wallenbergs Stiftelse och Vetenskapsrådet.


För mer information, kontakta

Victor Torres Company
Professor, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers
031 772 19 04, torresv@chalmers.se

Fuchuan Lei
Forskare, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers

Text: Robert Karlsson och Mia Halleröd Palmgren
Foto: Mia Halleröd Palmgren och privat

Sidansvarig Publicerad: fr 09 sep 2022.