Частотные гребни представляют собой уникальные оптические инструменты, которые объединяют различные части электромагнитного спектра, создавая равномерно распределенные частотные линии с высокой когерентностью. Они стали фундаментальными элементами для широкого круга приложений, включая спектроскопию, высокоточные измерения времени, телекоммуникации и исследования в области ультрабыстрой оптики. В последние годы значительный прогресс был достигнут в интегрированных источниках частотных гребней, однако создание многооктавных гребней на чипе оставалось серьёзной технологической задачей из-за высокой энергозатратности традиционных методов спектрального расширения. В этом контексте важным достижением стал многооктавный частотный гребень, полученный с помощью ультранизкопорогового нанофотонного параметрического осциллятора, реализованного в литий ниобатном нанофотонном материале. Это открытие не только снижает энергопотребление до уровня фемтоджоулей, но и раскрывает потенциал для расширения спектра с высокой эффективностью и стабильностью.
Параметрический осциллятор, в основе которого лежит нелинейное взаимодействие света с материалом, эксплуатирует эффект оптической параметрической генерации для создания новых частотных компонент, суммирующихся в широкополосный спектр. В частности, использование лития ниобата обусловлено его выдающимися нелинейными оптическими свойствами, высокой эффективностью и возможностью инженерного управления дисперсией на уровне наноструктур. Благодаря тщательному дизайну волноводов и микрорезонаторов с дисперсионной инженерией стало возможным создать режим работы, ранее недоступный для параметрических осцилляторов, обеспечивающий порядок величины более низкий порог возбуждения и стабильное когерентное расширение спектра. Низкий порог энергии стала ключевым фактором, который позволил реализовать многооктавный гребень на компактном нанофотонном чипе. В традиционных подходах, таких как сверхпроводниковые когерентные источники и обычные оптические параметрические генераторы, требуются значительно большие уровни энергии для эффективного расширения спектра и достижения стабильного гребня.
Применение низкоэнергетического осциллятора на базе лития ниобата, синхронизированного с ультракороткими фемтосекундными импульсами на уровне фемтоджоулей, значительно снижает технологические барьеры и позволяет интегрировать частотные гребни в широкомасштабные фотонные приборы. Когерентность выходного сигнала - еще одна существенная характеристика, подтверждающая пригодность данной технологии для практического применения. Высокая степень когерентности означает, что все спектральные компоненты частотного гребня находятся во взаимной фазовой синхронизации, что важно для точных измерений, спектроскопии с высокой разрешающей способностью и генерации ултракоротких световых импульсов. Экспериментальные данные подтвердили, что спектр имеет стабильную фазу и амплитуду, что соответствует требованиям современных фотоники и оптических коммуникаций. Многооктавный спектр охватывает широкий диапазон длин волн, от видимого до дальнего инфракрасного, что позволяет использовать такой генератор для различных областей науки и техники.
К примеру, в спектроскопии это открывает возможности для проведения исследований широкого класса молекул и материалов с высоким разрешением и чувствительностью. В телекоммуникациях широкополосные гребни могут использоваться для мультиплексирования большого количества каналов, что существенно увеличивает пропускную способность оптических сетей. Кроме того, генерация спектрально широких пиков способствует развитию систем ультракоротких лазерных импульсов, используемых в медицине, промышленности и экспериментальной физике. Нанофотонная платформа, на которой реализован данный параметрический осциллятор, имеет ряд преимуществ. Во-первых, она обеспечивает высокую локализацию света, что усиливает нелинейные процессы и увеличивает эффективность генерирования новых частот.
Во-вторых, возможность интеграции с другими фотонными элементами позволяет создавать комплексные оптические схемы на одном кристалле, уменьшая габариты и повышая надёжность устройств. Эта интеграция открывает перспективы применения в портативных и массовых приборах, таких как спектрометры, датчики и когерентные источники для квантовых технологий. В ходе исследований была проведена глубокая численная симуляция, которая с использованием специализированных программных средств моделировала распространение световых пульсов внутри нанофотонных волноводов. Эти расчёты позволили оптимизировать геометрию и параметры устройства для достижения максимальной ширины спектра и минимального порога возбуждения. Таким образом, совместное экспериментальное и теоретическое исследование создало комплексное понимание физики процесса и инженерных аспектов построения эффективных частотных гребней.
Данное достижение может стать отправной точкой для развития новых направлений в фотонике, где ультранизкое энергопотребление сочетается с широкой спектральной полосой и высокой стабильностью генерации. Это важно в условиях постоянного стремления к миниатюризации и увеличению функциональной плотности оптических систем. влияния на такие сектора экономики и науки, как телекоммуникации, медицина, аналитическая химия и квантовые вычисления. Дополнительной важной особенностью является использование дисперсионной инженерии, которая позволяет управлять распределением фазовых скоростей разных спектральных компонент. Это критически важно для обеспечения когерентного расширения спектра без искажений и нестабильностей.
Возможность создания кастомизированных зон дисперсии открывает новые возможности создания специальных режимов работы и управления генерацией частотных гребней. Научное сообщество высоко оценивает перспективы данной технологии в качестве интегрированного источника световых импульсов с широчайшим спектром. Возможность генерации таких гребней на основе синхронизированного низкопорогового нанофотонного параметрического осциллятора на литии ниобате позволяет реализовывать эксперименты и устройства, ранее требовавшие громоздкие и энергоемкие установки. Таким образом, технология знаменует собой качественный скачок в области миниатюризации и функционализации фотоники. Перспективы развития включают расширение спектральных диапазонов, улучшение стабильности и долговечности устройств, а также интеграцию с электроникой и другими оптическими компонентами для создания гибких и многофункциональных систем.
В ближайшем будущем можно ожидать появления коммерчески доступных чипов, способных выполнять сложные спектроскопические и временные измерения, что будет способствовать прогрессу в науке и технике. Подводя итог, многооктавный частотный гребень, полученный с помощью ультранизкопорогового нанофотонного параметрического осциллятора на базе лития ниобата, представляет собой важный прорыв в интегрированной фотонике. Он открывает новый уровень производительности и функциональности устройств, минимизируя энергопотребление и габариты, что значительно расширяет возможности применения в различных областях науки и техники. .
