Лазерный мир

Объединив лазерный диод и оптический микрорезонатор, физики создали компактный источник оптических гребенок – лазер, спектр которого разделен на множество узких линий наподобие расчески. Они могут применяться для передачи данных или в качестве основы для квантового компьютера. Статью с результатами исследования опубликовал научный журнал Nature Communications.

Dynamics of soliton self-injection locking in optical microresonators

Soliton microcombs constitute chip-scale optical frequency combs, and have the potential to impact a myriad of applications from frequency synthesis and telecommunications to astronomy. The demonstration of soliton formation via self-injection locking of the pump laser to the microresonator has significantly relaxed the requirement on the external driving lasers. Yet to date, the nonlinear dynamics of this process has not been fully understood. Here, we develop an original theoretical model of the laser self-injection locking to a nonlinear microresonator, i.e., nonlinear self-injection locking, and construct state-of-the-art hybrid integrated soliton microcombs with electronically detectable repetition rate of 30 GHz and 35 GHz, consisting of a DFB laser butt-coupled to a silicon nitride microresonator chip. We reveal that the microresonator’s Kerr nonlinearity significantly modifies the laser diode behavior and the locking dynamics, forcing laser emission frequency to be red-detuned. https://www.nature.com/articles/s41467-020-20196-y

Оптические гребенки позволяют преобразовать сигналы из радиочастотной части спектра в оптический диапазон и наоборот. За методику их создания американец Джон Холл и немец Теодор Хэнш получили Нобелевскую премию по физике 2005 года. В России их разрабатывают уже несколько лет – в частности, первые прототипы оптических гребенок создала группа под руководством профессора МГУ им. Ломоносова и научного директора РКЦ Михаила Городецкого

Первые генераторы оптических гребенок были достаточно большими и сложными приборами, их можно было уместить только в достаточно большую коробку. Однако четыре года назад Городецкий и его коллеги выяснили, что их можно создать и с помощью оптических микрорезонаторов размером в доли миллиметра.

Оптический резонатор представляет собой полое кольцо или диск из особого прозрачного материала, по которому свет может двигаться почти бесконечно долго, отражаясь от его стенок. При определенных обстоятельствах непрерывная волна внутри такого резонатора превращается в набор очень коротких импульсов, так называемых солитонов, которые и дают стабильные гребенчатые спектры.

Первые прототипы подобных устройств использовали для своей работы внешние высококачественные источники лазерного излучения. Два года назад Городецкий и его коллеги выяснили, что для этого можно использовать даже самые простые и дешевые лазерные диоды из тех, которые в принципе возможно интегрировать внутрь микрочипов.

Недавно ученые во главе с научным сотрудником Российского квантового центра Андреем Волошиным решили эту задачу. Они проверяли свои теоретические выкладки, которые описывали, как излучение подобных лазеров ведет себя при попадании внутрь микрорезонаторов. Благодаря этому удалось оптимизировать устройство источника оптических гребенок, состоящего из микрорезонатора и лазерного диода, собрать его прототип и впервые использовать получившийся прибор на практике.

Последняя версия этого устройства, по словам исследователей, может уместиться на кончике пальца. Для его работы достаточно простой щелочной или литий-ионной батарейки. В будущем микрочипы со встроенными оптическими гребенками могут применяться для создания лазерных радаров, систем передачи данных, фотонных и ионных квантовых компьютеров, а также для решения массы других задач.

Волошин и его коллеги планируют продолжать работу над этими устройствами. Они хотят создать готовые к продаже продукты промышленного класса. Физики надеются, что эти устройства помогут снизить энергопотребление современных оптоволоконных систем связи и расширить применение оптических гребенок в других сферах науки и техники.

Источник: https://nauka.tass.ru/nauka/10566179