Lichtsynthesizer auf dem Mikrochip
Kompaktes Gerät erzeugt abstimmbare und extrem stabile optische Frequenzen.
Optische Frequenzsynthesizer erzeugen aus den Mikrowellensignalen einer Atomuhr mit Hilfe von Frequenzkämmen Lichtsignale mit stabilen optischen Frequenzen. Auf dem Weg zur perfekten Miniaturisierung dieser Geräte haben US-
Abb.: Die Uhrenfrequenz von zehn MHz wird von den beiden Frequenzkämmen zu einer optischen Frequenz vervielfältigt, mit der sich dann ein IR-Laser abstimmen und stabilisieren lässt. (Bild: D. T. Spencer et al.)
Der neue optische Frequenzsynthesizer, der dies möglich macht, ist folgendermaßen aufgebaut: Ein Wasserstoffmaser liefert das Eingangssignal, dessen „Ticken“ mit der Mikrowellenfrequenz (zehn Megahertz) von zwei Frequenzkämmen exakt um den Faktor 19.403.904 vervielfältigt und dadurch in den optischen Frequenzbereich gebracht wird. Auf diese optische Frequenz wird ein abstimmbarer Laser eingestellt, der das Ausgangssignal liefert.
Die beiden Frequenzkämme wandeln jeweils ein monochromatisches Eingangssignal eines Pumplasers, das nur eine Frequenz hat, in ein Signal mit zahllosen Frequenzen um, die wie die Zähne eines Kammes äquidistante Abstände voneinander haben. Dabei nutzen sie den optisch nichtlinearen Kerr-
Der erste Frequenzkamm, der vom Center for Nanoscale Science and Technology des NIST in Gaithersburg, Maryland, kommt, ist etwa vierzig Mikrometer groß und besteht aus Siliziumnitrid. Seine Frequenzen haben einen relativ großen Abstand von einem Terahertz. Dabei überdecken sie eine Oktave, wodurch man den Frequenzkamm kalibrieren kann. Der zweite Frequenzkamm, der vom Caltech geliefert wurde, ist hundertmal größer und besteht aus Quarzglas. Seine Zähne stehen wesentlich dichter beieinander, da ihr Abstand nur 22 Gigahertz ist.
Abb.: Der optische Synthesizer kann so programmiert werden, dass er schnell zwischen mehreren Frequenzen hin- und herschaltet und auf diese Weise z. B. das Logo des NIST schreibt. (Bild: D. T. Spencer et al.)
Der optische Frequenzsynthesizer tritt dadurch in Aktion, dass unterschiedliche Zähne der beiden Frequenzkämme entweder miteinander oder mit der synchronisierenden Uhrenfrequenz oder mit der Frequenz des Output-
Die erzeugten optischen Frequenzen sind extrem stabil und weisen einen relativen Fehler von weniger als 8 × 10-15 auf, sodass sich die gewünschte optische Frequenz auf etwa einem Hertz genau einstellen lässt. Das übertrifft schon jetzt die Frequenzstabilität von kommerziellen optischen Synthesizern. Zudem benötigen die chipgroßen Frequenzkämme nur eine deutlich geringere Laserleistung von 250 Milliwatt.
Damit rückt das Ziel in greifbare Nähe, den gesamten optischen Synthesizer monolithisch auf einem Chip unterzubringen – inklusive der Frequenzkämme, der Pumplaser und der Steuerelektronik. Solch ein extrem kompaktes Gerät hätte weitreichende Auswirkungen auf die Spektroskopie, die optische Kommunikation, die Sensorik, die Quanteninformation, die Astronomie und nicht zuletzt auch die Metrologie.
Rainer Scharf
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