В мире современной оптики частотные гребенки являются бесценным инструментом. Эти устройства служат для измерения частоты света, они позволяют совершать прорывы в телекоммуникациях, мониторинге окружающей среды и даже астрофизике. Однако создание компактных и эффективных частотных гребенок было сложной задачей — до сих пор.
Электрооптические частотные гребенки, представленные в 1993 году, показали перспективность создания оптических гребенок с помощью каскадной фазовой модуляции, но прогресс замедлился из-за высоких требований к мощности и ограниченной пропускной способности. В результате в этой области стали доминировать фемтосекундные лазеры и микрогребенки Керра, которые, хотя и эффективны, но требуют сложной настройки и высокой мощности, что ограничивает их применение в полевых условиях.
Недавние достижения в области тонкопленочных электрооптических интегральных фотонных схем возродили интерес к материалам, таким как ниобат лития. Тем не менее, достижение более широкой полосы пропускания при меньшей мощности остается сложной задачей, а присущее ниобату лития двойное лучепреломление (расщепление световых пучков) также устанавливает верхний предел достижимой полосы пропускания.
Ученые из EPFL, Горной школы Колорадо и Китайской академии наук решили эту проблему, объединив микроволновые и оптические схемы на новой платформе из танталата лития, сообщает научный журнал EurekAlert!. По сравнению с ниобатом лития, танталат лития обладает в 17 раз меньшим внутренним двойным лучепреломлением. Работа опубликована в журнале Nature.
Под руководством профессора Тобиаса Дж. Киппенберга исследователи разработали электрооптический генератор частотных гребенок, который обеспечивает беспрецедентное спектральный охват 450 нм с более чем 2000 линиями спектра. Это позволило расширить пропускную способность устройства и почти в 20 раз снизить потребляемую мощность микроволн по сравнению с предыдущими разработками.
Команда представила «интегрированную трехрезонансную» архитектуру, в которой три взаимодействующих поля — два оптических и одно микроволновое — резонируют в гармонии. Это было достигнуто с помощью новой совместно разработанной системы, которая объединяет монолитные микроволновые схемы с фотонными компонентами. Встроив распределенный копланарный волноводный резонатор в интегральную схему фотоники на основе танталата лития, команда значительно улучшила удержание микроволнового излучения и энергетическую эффективность.
Компактный размер устройства, умещающегося на площади 1x1 см², стал возможен благодаря использованию низкого двулучепреломления танталата лития. Это минимизирует интерференцию между световыми волнами, что обеспечивает плавную и последовательную генерацию частотных гребенок. Кроме того, устройство работает на основе простого лазерного диода с распределенной обратной связью, что делает его гораздо более удобным в использовании по сравнению с аналогами солитонов Керра.
Сверхширокополосный диапазон нового генератора гребенок, охватывающий 450 нм, превосходит пределы существующих технологий электрооптических гребенок. Это достигается благодаря стабильной работе в 90% свободного спектрального диапазона, что устраняет необходимость в сложных механизмах настройки. Такая стабильность и простота открывают возможности для практического применения в полевых условиях.
Новое устройство может изменить парадигму в мире фотоники. Благодаря надежной конструкции и компактным размерам оно может повлиять на такие области, как робототехника, где важна точная лазерная дальность, и мониторинг окружающей среды, где необходимо точное определение содержания газов. Кроме того, успех этой методики совместного проектирования подчеркивает неиспользованный потенциал интеграции микроволновой и фотонной инженерии для создания устройств нового поколения.
[Фото: Junyin Zhang (EPFL)]
