Lichtsynthesizer auf dem Mikrochip

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-Forscher jetzt einen großen Schritt gemacht. Bislang haben optische Frequenzsynthesizer einen komplizierten Aufbau, der einer mobilen Nutzung hinderlich ist. „Niemand weiß, wie man optische Frequenz­synthesizer mit Mikro­chips realisieren kann“, erklärt Scott Papp vom NIST in Boulder, Colorado. Dass dies dennoch möglich ist, zeigt der von ihm und seinen Kollegen erzielte Durch­bruch. Die Forscher haben den ersten optischen Synthesizer mit Frequenz­kämmen auf Mikro­chips gebaut. „Bisher hatte noch niemand chip­große Frequenz­kämme für die Metrologie eingesetzt, die auf einen inter­nationalen Standard zurück­geführt werden kann.“

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-Effekt, durch den ein zeitlich konstanter Laser­strahl in einem ring­förmigen Mikro­resonator eine Folge von räumlich äqui­distanten optischen Solitonen erzeugt. Das aus dem Resonator aus­gekoppelte Signal hat dann äqui­distante Frequenzen.

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.

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-Lasers abgestimmt werden. Durch die Wahl der benutzten Zähne lässt sich die erzeugte optische Frequenz variieren. Dabei kann man nahe der Tele­kommunikations­wellen­länge von 1550 Nanometern einen Frequenz­bereich von vier Terahertz abdecken. Da sich die Frequenz­wahl vor­programmieren lässt, sind verschiedene Frequenzen in einem gewünschten zeitlichen Muster möglich, wie das Beispiel mit vierzig Frequenzen zeigt, die den Schrift­zug „NIST“ nachbilden.

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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