Ученые создали оптические частотные гребенки на кристалле для атомных часов

Исследователи показали, что диссипативные солитоны Керра могут быть использованы для создания оптических частотных гребенок на кристалле с выходной мощностью, достаточной для использования в оптических атомных часах и других практических приложениях.

Это может привести к созданию приборов на кристалле, позволяющих проводить точные измерения, которые ранее были возможны только в нескольких специализированных лабораториях.

Грегори Мойль из Объединенного квантового института, NIST/Университет Мэриленда, представит это исследование на конференции Frontiers in Optics + Laser Science (FiO LS), которая будет проходить с 9 по 12 октября 2023 года в конференц-центре Greater Tacoma Convention Center в Такоме (район Большого Сиэтла), штат Вашингтон.

Частотные гребенки повсеместно используются в метрологии — подобно тому, как линейка измеряет длину, они позволяют нам с высокой точностью измерять оптическую частоту, — говорит Мойль.

Создание таких гребенок на кристалле позволяет значительно снизить их энергопотребление, но при этом уменьшается мощность каждого зубца гребенки. Это затрудняет сопряжение гребенок на кристалле с другими системами, такими как атомные стандарты частоты. Мы показали, что, просто аккуратно введя в устройство гребенки другой слабый лазер, можно настроить систему и, следовательно, оптимизировать мощность в нескольких зубцах гребенки более чем на порядок.

Оптические частотные гребенки излучают непрерывную последовательность коротких, близко расположенных друг к другу импульсов света, содержащих миллионы цветов, которые могут быть использованы для измерения световых волн, как если бы они были радиоволнами. Это позволяет связать такие технологии, как атомные часы, компьютеры и средства связи, с оптическими волнами, которые колеблются с частотой в 10 000 раз выше, чем в электронике.

В то время как традиционные оптические частотные гребенки генерируются с помощью лазеров с синхронизацией мод, которые, как правило, используются только в высокотехнологичных научных лабораториях, в последнее время ведутся работы по созданию оптических частотных гребенок с помощью компактных микрорезонаторов на основе ДКС. ДКС представляют собой пакеты света, в которых соблюдается двойной баланс нелинейности и дисперсии, а также рассеяния и усиления. Хотя гребенки на основе ДКС потребляют очень мало энергии, они также не дают достаточной выходной мощности, чтобы быть полезными.

В новой работе исследователи используют предложенную Керром синхронизацию солитонов Керра с внешним стабильным опорным лазером для создания оптических частотных гребенок с более высоким уровнем мощности. Это создает существенное увеличение мощности на другом конце спектра гребенки от опорного лазера.

Исследователи продемонстрировали теоретически и экспериментально, что внешняя опорная накачка на частоте 193 ТГц позволяет перестраивать частоту повторения октавных гребенок. Это позволяет перестраивать условие фазового согласования зубца гребенки на дисперсионной волне таким образом, чтобы оптимизировать ее мощность. Наряду с эффектом самобалансировки, напрямую связанным с основным свойством устойчивости солитонов Керра, обнаружилось более чем 15-кратное увеличение мощности на зубце гребенки 388 ТГц.

Мы только нащупываем поверхность того, что можно оптимизировать, — поясняет Мойль.

Мы не достигли предела мощности этой оптимизации и надеемся достичь уровня мощности, совместимого с непосредственным сопряжением нашей расчески с другими системами.

29.08.2023