La capacità di controllare e modificare con precisione le proprietà di un fotone, tra cui la polarizzazione, la posizione nello spazio e il tempo di arrivo, ha dato origine a una vasta gamma di tecnologie di comunicazione che usiamo oggi, incluso Internet. La prossima generazione di tecnologie fotoniche, come le reti quantistiche fotoniche e i computer, richiederà un controllo ancora maggiore sulle proprietà di un fotone.
Una delle proprietà più difficili da cambiare è il colore di un fotone, altrimenti noto come la sua frequenza, perché cambiare la frequenza di un fotone significa cambiare la sua energia. Oggi, la maggior parte dei variatori di frequenza sono troppo inefficienti, perdendo molta luce nel processo di conversione, oppure non possono convertire la luce nella gamma dei gigahertz, che è dove si trovano le frequenze più importanti per le comunicazioni, l'informatica e altre applicazioni.
Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato variatori di frequenza su chip altamente efficienti in grado di convertire la luce nella gamma di frequenze gigahertz. I cambi di frequenza sono facilmente controllati, utilizzando microonde continue e monocolore. Il documento delinea due tipi di cambio di frequenza su chip: uno che può eseguire variazioni usando uno spostamento di poche decine di gigahertz, e un altro che può eseguire più spostamenti a cascata, uno spostamento di oltre 100 gigahertz.
Il niobato di litio può convertire in modo efficiente i segnali elettronici in segnale ottico. In precedenti ricerche, Lončar e il suo team hanno dimostrato una tecnica per fabbricare microstrutture di niobato di litio ad alte prestazioni utilizzando l'incisione al plasma standard per scolpire fisicamente i microrisonatori in sottili film di niobato di litio.
Qui, usando la stessa tecnica, Lončar e il suo team hanno inciso risonatori accoppiati ad anello e guide d'onda su niobato di litio a film sottile. Nel primo dispositivo, due risonatori accoppiati formano una struttura a forma di otto. La luce in ingresso viaggia dalla guida d'onda attraverso i risonatori in uno schema a forma di otto, entrando come un tipo di colore ed emergendo come un altro. Questo dispositivo fornisce spostamenti di frequenza fino a 28 gigahertz con un'efficienza di circa il 90%. Può anche essere riconfigurato come uno splitter in cui un raggio di una frequenza viene diviso in due fasci di un'altra frequenza.
Il secondo dispositivo utilizza tre risonatori accoppiati: un piccolo risonatore ad anello, un lungo risonatore ovale e un risonatore di forma rettangolare. Man mano che la luce sfreccia intorno al risonatore ovale, si trasforma in frequenze sempre più alte, con conseguente spostamento fino a 120 gigahertz.
"Questo lavoro è reso possibile da tutti i nostri precedenti sviluppi nella fotonica integrata al niobato di litio", ha spiegato Lončar. "La capacità di elaborare le informazioni nel dominio delle frequenze in modo efficiente, compatto e scalabile ha il potenziale per ridurre significativamente le spese e i requisiti di risorse per i circuiti fotonici su larga scala, tra cui l'informatica quantistica, le telecomunicazioni, il radar, l'elaborazione del segnale ottico e la spettroscopia".