В современном мире нанофотоника занимает лидирующую позицию среди технологий, которые способны преобразовать способы передачи и обработки информации, а также расширить возможности научных исследований в области оптики. Одним из ключевых достижений в этой сфере стало создание нанофотонных параметрических осцилляторов, которые способны генерировать многококтовые частотные гребни с исключительно низкой энергопотребляемостью. Эта инновация предлагает революционные возможности в генерации широкополосных частотных комбайнов, применимых в спектроскопии, телекоммуникациях, квантовых технологиях и медицине. Частотный гребень представляет собой совокупность из множества узконаправленных и равномерно распределённых по частоте лазерных линий, которые могут охватывать широкие спектральные диапазоны - от ультрафиолетового до инфракрасного излучения. Многококтовый частотный гребень особенно важен тем, что объединяет несколько октав спектра, что расширяет возможности для точных измерений, создания ультракоротких импульсных источников света и разработки новых платформ для фотонного интегрирования.
Тем не менее, реализация таких широких спектров на микро- и нанопластинах была связана с серьёзными препятствиями. Главной проблемой оставалась высокая энергия, необходимая для запуска и поддержания нелинейных процессов, отвечающих за расширение спектра. Современные исследования, проведённые в ведущих научных учреждениях, включая Калифорнийский технологический институт, демонстрируют применение нанофотонных параметрических осцилляторов на основе тонкоплёночного литий ниобата - материала, обладающего исключительными нелинейными и электрооптическими свойствами. Использование литий ниобата в нанофотонных структурах позволило достичь ультранизкого порога возбуждения в диапазоне фемтоджоулей, что является колоссальным прорывом по сравнению с традиционными системами, требующими гораздо более высоких энергозатрат. Важным элементом успеха таких осцилляторов стало целенаправленное управление дисперсией в волноводах.
Дисперсионное проектирование обеспечивает оптимальное распространение светового сигнала, минимизирует потери и повышает эффективность спектрального расширения. Это открывает доступ к новому режиму работы параметрических осцилляторов, характеризующемуся высокой стабильностью и когерентностью излучения. В результате получаются скомбинированные широкополосные частотные гребни, объединяющие различные области спектра, что ранее считалось недостижимым в компактных интегрированных фотонных платформах. Когерентность частотного гребня играет критическую роль для практического применения генератора. Устойчивость фазовых соотношений между отдельными спектральными линиями позволяет использовать такие устройства в прецизионной спектроскопии, метрологии, навигации и квантовых вычислениях.
Подтверждение высокого качества когерентности в нанофотонных параметрических осцилляторах с многококтовым покрытием является одним из важнейших достижений современных экспериментов, что значительно расширяет возможности применения таких источников света. Среди перспективных направлений развития технологии стоит отметить дальнейшую оптимизацию геометрии наносистем для расширения спектрального диапазона и повышения эффективности преобразования энергии. Инжиниринг дисперсии и управление нелинейными процессами посредством инновационного дизайна волноводов открывают новые пути для создания сверхширокополосных источников света минимального энергопотребления. Применение Nanofotonic Multi-Octave Frequency Combs выходит далеко за рамки фундаментальных исследований. В частности, в оптической спектроскопии возникновения такие источники позволяют детектировать широкий набор молекул, включая биомаркеры и загрязнители, с беспрецедентной точностью и скоростью.
Это открывает новые возможности в медицинской диагностике, экологическом мониторинге и химической аналитике. В области телекоммуникаций широкополосные частотные комбайны предоставляют уникальные средства для реализации сверхскоростных и защищённых каналов передачи данных. Высокая стабильность гребня также обеспечивает базис для разработки квантовых коммуникационных систем и вычислительных платформ нового поколения, где требуется искренняя согласованность и фазовая синхронизация. Кроме того, достижение мультиоктавного охвата спектра на интегрированных устройствах создаёт предпосылки для развития компактных и энергоэффективных источников ультракоротких импульсов. Это особенно важно для приложений в области оптоэлектроники и микроволновой фотоники, где миниатюризация оборудования сочетаетcя с высокими требованиями к качеству светового сигнала.
Научные публикации и патентные заявки, возникающие вокруг данной темы, свидетельствуют о высокой конкуренции и интенсивной научно-технической активности. Благодаря этому растёт вероятность того, что в ближайшем будущем появятся коммерчески доступные решения, интегрируемые в промышленные и научные инструменты, от микроспектроскопов до систем квантового шифрования. Разработка и внедрение нанофотонных параметрических осцилляторов с многококтовым частотным гребнем являются ярким примером того, как фундаментальная наука пересекается с инженерией для создания инновационных приборов, способных изменить ландшафт современных технологий. Такие устройства не только расширяют границы возможного в области фотоники, но и помогают решать практические задачи, связанные с обработкой информации, точными измерениями и безопасностью коммуникаций. Подводя итог, можно отметить, что нанофотонные параметрические осцилляторы нового поколения обеспечивают беспрецедентный уровень эффективности и функциональности для генерации многококтовых частотных гребней.
Ультранизкий порог запуска, управление дисперсией и высокая когерентность открывают массу перспектив для развития фотонных интегрированных систем с широким спектром применения. Продолжающиеся исследования и технологические усовершенствования только укрепят позиции этой технологии в ближайшие годы, обеспечивая основу для новых научных открытий и индустриальных инноваций. .
