Группа ученых из Национальной квантовой лаборатории и Российского квантового центра совместно с исследователями из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством профессора МГУ Игоря Биленко и профессора EPFL Тобиаса Киппенберга изучила динамику оптических частотных гребенок, получаемых на фотонном чипе. Интеграция кремниевых фотонных схем и полупроводниковых лазерных устройств позволила разработать миниатюрные источники оптических гребенок и впервые применить их на практике. Ученые описали результаты работы в ведущем научном журнале Nature Communications.
Классический лазер излучает одну длину волны, в то время как оптическая гребенка состоит из набора синхронно колеблющихся оптических линий. Их применение может произвести революцию во многих областях, где на данный момент используются лазеры: в медицине, здравоохранении, безопасности, телекоммуникациях и даже в умных городах. В то же время традиционные источники оптических гребенок имеют свои недостатки: высокую стоимость и внушительные габариты генерирующих устройств.
Совместное использование интегральных микрорезонаторов и полупроводниковых лазерных диодов стало прорывом, который позволил разработать миниатюрные устройства для генерации оптических гребенок размером с кончик пальца и питаемые простой батарейкой. В исследовании, проведенном при поддержке РНФ, физики впервые рассмотрели динамику взаимодействия лазерного диода и оптического микрорезонатора с учетом керровской нелинейности, разработав ее комплексную теоретическую модель.
Результаты могут значительно облегчить производство фотонных устройств на чипе, что позволит масштабировать производство оптических гребенок в объеме, сравнимом с микросхемами современной микроэлектроники. Миниатюрные гребенки — основа для многочисленных приложений: измерения расстояний (LiDAR), фотонной и квантовой обработки данных, спектроскопии и метрологии. Более того, они являются важной частью фотонного квантового компьютера, который также планируют в будущем создать на фотонном чипе, а их высокая стабильность может быть использована при накачке атомов и ионов — других платформ для разработки квантового компьютера.
Ученые собираются разрабатывать готовые к продаже продукты промышленного класса на основе полностью интегрированных генераторов частотной гребенки. «Одно из приложений, которое может стать революционным, — это стабильный лазерный источник для высокоскоростной параллельной передачи данных. Низкое энергопотребление интегральных гребенок позволит повысить эффективность центров обработки данных, которые, по современным оценкам, потребляют около 200 ТВт*ч в год, что соответствует 0.3% общих выбросов углерода», — отметил Андрей Волошин, ведущий автор исследования.
Информация и фото предоставлены Российским квантовым центром
