חוקרי סטנפורד פיתחו מסרק תדרים מיניאטורי חדש וחסכוני ומדויק באנרגיה, שיכול לאפשר את שילובו באלקטרוניקה יומיומית עבור יישומים כמו אבחון רפואי וניטור סביבתי. "מיקרוקומב" זה ממנף את טכנולוגיית ליתיום ניובאט סרט דק כדי להתגבר על המגבלות המסורתיות, ומציע פתרון ניתן להרחבה עבור התקנים קומפקטיים בעלי הספק נמוך.
חוקרי סטנפורד חשפו סוג חדש של מסרק תדרים, מכשיר מדידה בעל דיוק גבוה, קטן באופן חדשני, חסכוני במיוחד באנרגיה ומדויק במיוחד. עם המשך הפיתוח, פריצת הדרך הזו "מיקרוקומב" – המפורטת במחקר שפורסם ב טֶבַע – יכול להיות הבסיס לאימוץ בשוק ההמוני של המכשירים באלקטרוניקה היומיומית.
מסרקי תדר הם לייזרים מיוחדים היוצרים קווי אור מרווחים באופן שווה בדומה לשיניים של מסרק או, יותר נכון, לסימני התקתק על סרגל. בערך ברבע המאה של התפתחותם, "הסרגלים לאור" אלה חוללו מהפכה בסוגים רבים של מדידות ברמת דיוק גבוהה, החל משמירת זמן ועד זיהוי מולקולרי באמצעות ספקטרוסקופיה. עם זאת, מכיוון שמסרקי תדר דורשים ציוד מגושם, יקר ותאב כוח, הפריסה שלהם הוגבלה במידה רבה להגדרות מעבדה.
החוקרים גילו פתרון לבעיות אלו על ידי שילוב שתי גישות שונות למזעור מסרקות תדרים לפלטפורמה אחת פשוטה, ניתנת להפקה, בסגנון מיקרו-שבב. בין היישומים הרבים שהחוקרים מדמיינים עבור הטכנולוגיה הרב-תכליתית שלהם, הם מכשירי אבחון רפואיים חזקים כף יד וחיישני ניטור גזי חממה נרחבים.
"המבנה של מסרק התדרים שלנו מפגיש את האלמנטים הטובים ביותר של טכנולוגיית המיקרו-מסרק המתפתחת יחד למכשיר אחד", אמר הוברט סטוקובסקי, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדתו של אמיר ספבי-נאיני, והמחבר הראשי של המחקר. "נוכל להרחיב את מיקרו-מסרקת התדרים החדשה שלנו למכשירים קומפקטיים, בעלי הספק נמוך וזולים שניתן לפרוס כמעט בכל מקום."
"אנחנו מאוד נרגשים לגבי טכנולוגיית המיקרו-מסרק החדשה הזו שהדגמנו עבור סוגים חדשים של חיישני דיוק שהם גם קטנים וגם יעילים מספיק כדי להיות בטלפון של מישהו מתישהו", אמרה ספווי-נאיני, פרופסור חבר במחלקה לפיזיקה יישומית. בבית הספר למדעי הרוח והמדעים של סטנפורד ומחבר בכיר של המחקר.
אור מתפתל
התקן חדש זה נקרא Integrated Frequency-Modulated Optical Parametric Oscillator, או FM-OPO.
השם המורכב של הכלי מצביע על כך שהוא משלב שתי אסטרטגיות ליצירת טווח התדרים המובהקים, או צבעי האור, המהווים מסרק תדרים. אסטרטגיה אחת, הנקראת תנודה פרמטרית אופטית, כוללת הקפצת קרני אור לייזר בתוך תווך גבישי, שבו האור שנוצר מארגן את עצמו לפולסים של גלים קוהרנטיים ויציבים. האסטרטגיה השנייה מתמקדת בשליחת אור לייזר לתוך חלל ואז מווסת שלב האור – המושג על ידי הפעלת אותות בתדר רדיו על המכשיר – כדי לייצר בסופו של דבר חזרות תדרים הפועלות באופן דומה כפולסי אור.
לא נעשה שימוש נרחב בשתי האסטרטגיות הללו עבור מיקרומסרקים מכיוון שלשתיהן יש חסרונות. בעיות אלו כוללות חוסר יעילות אנרגטית, יכולת מוגבלת לכוונן פרמטרים אופטיים ו"רוחב פס אופטי" לא אופטימלי של מסרק שבו הקווים דמויי המסרק דוהים ככל שהמרחק ממרכז המסרק גדל.
החוקרים ניגשו לאתגר מחדש באמצעות עבודתם על פלטפורמת מעגלים אופטיים מבטיחה ביותר המבוססת על חומר הנקרא ליתיום ניובאט סרט דק. לחומר תכונות יתרות בהשוואה לסיליקון, החומר הסטנדרטי בתעשייה. שניים מהמאפיינים המועילים הללו הם "אי-לינאריות" (היא מאפשרת לאלומות אור בצבעים שונים ליצור אינטראקציה זו עם זו כדי ליצור צבעים או אורכי גל חדשים) וטווח רחב של אורכי גל אור יכול לעבור דרכה.
החוקרים עיצבו את הרכיבים בלב מסרק התדרים החדש באמצעות פוטוניקת ליתיום ניובאט משולבת. טכנולוגיות אלו למניפולציות אור מבוססות על התקדמות בתחום הקשור והמבוסס יותר של פוטוניקת סיליקון, הכולל ייצור מעגלים משולבים אופטיים ואלקטרוניים על שבבי סיליקון. בדרך זו, פוטוניקת ליתיום ניובאט וסיליקון התרחבו מוליכים למחצה בשבבי מחשב קונבנציונליים, ששורשיהם מגיעים עד שנות ה-50.
"לליתיום ניובאט יש תכונות מסוימות שאין לסיליקון, ולא היינו יכולים ליצור את מכשיר המיקרו-קומב שלנו בלעדיו", אמר סאפאווי-נאיני.
ביצועים מצוינים באופן מפתיע
לאחר מכן, החוקרים ריכזו אלמנטים הן של הגברה פרמטרית אופטית והן של אסטרטגיות אפנון פאזה. הצוות ציפה למאפייני ביצועים מסוימים ממערכת מסרקת התדרים החדשה על שבבי ליתיום ניובאט – אבל מה שהם ראו הוכיחו את עצמם הרבה יותר טוב ממה שציפו.
בסך הכל, המסרק הפיק פלט רציף ולא פולסי אור, מה שאפשר לחוקרים להפחית את הספק המבוא הנדרש בערך בסדר גודל. המכשיר גם הניב מסרק "שטוח" בצורה נוחה, כלומר קווי המסרק הרחוקים יותר באורך הגל ממרכז הספקטרום לא דהו בעוצמתם, ובכך הציעו יותר דיוק ושימושיות רחבה יותר ביישומי מדידה.
"ממש הופתענו מהמסרק הזה", אמרה סאפאווי-נאיני. "למרות שהייתה לנו איזו אינטואיציה שנקבל התנהגויות דמויות מסרק, לא באמת ניסינו לעשות בדיוק את הסוג הזה של מסרק, ולקח לנו כמה חודשים לפתח את ההדמיות והתיאוריה שהסבירו את תכונותיו העיקריות."
לתובנה נוספת לגבי המכשיר בעל ביצועי היתר שלהם, החוקרים פנו למרטין פג'ר, הפרופסור לפיזיקה של JG ג'קסון ו-CJ ווד ופרופסור לפיזיקה יישומית בסטנפורד. יחד עם עמיתים אחרים בסטנפורד, Fejer עזר לקדם את טכנולוגיות הפוטוניקה של ליתיום ניובאט סרט דק מודרני והבנת תכונות הגביש של החומר.
Fejer, שהוא גם מחבר שותף במחקר, יצר את הקשר המרכזי בין העקרונות הפיזיקליים שבבסיס המיקרו-מסרק לבין רעיונות שנדונו בספרות מדעית משנות ה-70, במיוחד מושגים שחלו על ידי סטיבן האריס, פרופסור אמריטוס לפיזיקה יישומית והנדסת חשמל בסטנפורד.
המיקרומסרקים החדשים, עם השחזה נוסף, צריכות להיות ניתנות לייצור בקלות בבתי יציקה של שבבים רגילים עם יישומים מעשיים רבים כגון חישה, ספקטרוסקופיה, אבחון רפואי, תקשורת סיבים אופטיים ומכשירים לבישים לניטור בריאות.
"ניתן להכניס את שבב המיקרו-קומב שלנו לכל דבר, כשהגודל של המכשיר הכולל תלוי בגודל הסוללה", אמר סטוקובסקי. "הטכנולוגיה שהדגמנו יכולה להיכנס למכשיר אישי בעל עוצמה נמוכה, בגודל של טלפון או אפילו קטן יותר, ולשרת כל מיני מטרות שימושיות."
NTT Research סיפקה תמיכה פיננסית וטכנית. המימון ניתן על ידי משרד ההגנה של ארצות הברית, Defense Advanced Research Projects Agency; משרד האנרגיה האמריקאי; משרד ההגנה של ארצות הברית, משרד חיל האוויר של ארצות הברית למחקר מדעי; והקרן הלאומית למדע.
