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Lichtfrequenzen messen Frequenzkammgenerator mit einer spektralen Abdeckung von 450 nm

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

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Treston Deutschland GmbH
Negal Engineering AG

Eine Kombination aus Lithium-Tantalat und integrierten mikrowellenphotonischen Schaltungen ermöglicht einen Frequenzkamm, der energieeffizient betrieben werden kann. Das resultierende Spektralband erreicht 450 nm und reduziert die benötigte Mikrowellenleistung.

Forscher der EPFL haben einen elektro-optischen Frequenzkammgenerator entwickelt, der mehr als 2.000 Kammlinien erzeugt, die ein Spektrum von 450 nm abdecken. Die benötigte Grundfläche beträgt weniger als 1 cm x 1 cm.(Bild: Junyin Zhang (EPFL))
Forscher der EPFL haben einen elektro-optischen Frequenzkammgenerator entwickelt, der mehr als 2.000 Kammlinien erzeugt, die ein Spektrum von 450 nm abdecken. Die benötigte Grundfläche beträgt weniger als 1 cm x 1 cm.
(Bild: Junyin Zhang (EPFL))

Frequenzkammgeneratoren gehören zu den wichtigsten Werkzeugen der modernen Optik. Sie werden auch als Lineale des Lichts bezeichnet und ermöglichen präzise Messungen, die Anwendungen in der Telekommunikation, der Umweltüberwachung und der Astrophysik grundlegend verändern. Sie erzeugen einen Lichtstrahl, der aus vielen diskreten, gleichmäßig verteilten Spektrallinien besteht, die wie die Zinken eines Kamms angeordnet sind. Das Herzstück eines Frequenzkammgenerators ist ein Femtosekundenlaser, der einen regelmäßigen kohärenten Pulszug aussendet.

Doch ihre Integration in kompakte und effiziente Systeme war bisher nicht einfach. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Prof. Tobias J. Kippenberg an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hat eine neue elektro-optische Frequenzkammtechnik entwickelt, die auf einem speziellen Design auf der Basis von Lithium-Tantalat-Filmen basiert. Dieses erreicht ein Spektralband von 450 nm und eine Reduktion der benötigten Mikrowellenleistung um den Faktor 20 im Vergleich zu früheren Designs.

Eine integrierte dreifach-resonante Architektur

Lithium-Tantalat bietet gegenüber dem bisher dominierenden Lithium-Niobat erhebliche Vorteile, insbesondere eine 17-fach geringere intrinsische Doppelbrechung. Das minimiert Interferenzen zwischen Lichtwellen und ermöglicht eine effiziente Frequenzkamm-Generierung.

Das Herzstück der neuen Entwicklung ist eine integrierte dreifach-resonante Architektur. Dabei arbeiten zwei optische und ein Mikrowellenfeld harmonisch zusammen. Ein speziell entwickelter Coplanar-Wellenleiter-Resonator, integriert in monolithische Mikrowellen- und photonische Schaltungen, verbessert die Energieeffizienz signifikant.

Mit einer Grundfläche von 1 cm x 1 cm ist der Frequenzkammgenerator sehr kompakt. Zudem wird es mit einem einfachen DFB- (Distributed-Feedback-)Laser betrieben und verzichtet auf komplexe Abstimmmechanismen, wie sie bei Kerr-Soliton-Mikrokämmen notwendig sind. Die Technologie ermöglicht einen stabilen Betrieb über 90 % des freien Spektralbereichs, was den Einsatz in praxisnahen Anwendungen erleichtert.

Praktische Anwendungen

Die neue Frequenzkammtechnologie könnte die Photonik grundlegend verändern. Einsatzmöglichkeiten reichen von präziser Laserentfernungsmessung in der Robotik bis hin zu hochempfindlichen Gassensoren für die Umweltüberwachung. Darüber hinaus zeigt die Co-Design-Methodik – eine Kombination aus Mikrowellen- und Photonik-Engineering –, welches Potenzial in integrierten Systemen für zukünftige Technologien steckt.

Mit dieser Entwicklung wird der Weg für kompakte, energieeffiziente und hochpräzise Frequenzkämme geebnet, die sich für den Einsatz in anspruchsvollen technischen Anwendungen eignen – ein bedeutender Schritt für die Photonik und darüber hinaus. (heh)

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