Регистрация / Вход
Прислать материал

14.585.21.0005

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.585.21.0005
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий"
Название доклада
Оптические гребенки на основе микрорезонаторов для видимого, ближнего и среднего ИК диапазонов
Докладчик
Городецкий Михаил Леонидович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Заявленный проект направлен на исследование керровских когерентных частотных гребенок в оптических микрорезонаторах для видимого, ближнего и среднего ИК диапазонов. В рамках проекта ставятся следующие задачи: 1) генерация частотных гребенок и солитонов в среднем ИК (эксперименты в EPFL, подготовка в МЦКТ) и 2) генерация и изучение частотных гребенок и платиконов (эксперименты в МЦКТ). В основе проекта лежат технологии изготовлении сверхвысокодобротных микрорезонаторов из кристаллических материалов (МЦКТ) и интегрированных резонаторов из SiN (EPFL). Для генерации гребенок в среднем ИК в МЦКТ на прецизионном станке алмазного точения будут изготавливаться кристаллические микрорезонаторы особого типа с формой, обеспечивающей эффективное формирование солитонов и индуцированное солитонами черенковское излучение для расширения спектральной полосы. Измерения в среднем ИК будут проводиться в лаборатории в EPFL с помощью коммерческих квантово-каскадных лазерных модулей. В МЦКТ будет разработана и проанализирована модель, описывающая генерацию солитонных импульсов специального вида, «платиконов», в микрорезонаторах в режиме нормальной дисперсии групповых скоростей и альтернативные методы генерации солитонных гребенок. В Центре микронанотехнологий (EPFL) будут производиться интегральные микрорезонаторы из SiN на чипе, обладающие нормальной дисперсией в видимом и ближнем ИК диапазонах. Измерения характеристик гребенок в этих диапазонах будут проводиться в МЦКТ.
Актуальность и новизна исследования
Возможность радикального уменьшения размеров источников оптических гребенок открывает перспективы новых технологических прорывов. Оптическая частотная гребёнка может быть использована как оптическая “линейка” для прецизионной спектроскопии, как источник спектрально чистого СВЧ излучения для вторичных стандартов частоты, а также для генерации фемтосекундных оптических импульсов – генераторы гребенки могут обеспечивать короткие периодические оптические импульсы (солитоны длительностью ~200 фс в кристаллических и ~20 фс в интегральных микрорезонаторах) с очень малым временным джиттером. Подобные генераторы могут найти применение в различных устройствах обработки информации, коммуникации, спутниковой связи, локации и т.д. В последнее время генерация гребенок была продемонстрирована в различных структурах, в том числе в кристаллических резонаторах, резонаторах из плавленого кварца, в интегральных микрорезонаторах из кремния, нитрида кремния и стекла Hydex. Расширение спектрального диапазона когерентных частотных гребенок в оптических микрорезонаторах в видимый, ближний и средний ИК диапазоны будет способствовать созданию нового класса устройств мирового уровня с уникальными характеристиками (компактность, энергопотребление), широко востребованных в различных областях науки (спектроскопия, химия, науки и материалах) и промышленности (радиофотоника, фармацевтика, химическая промышленность).
Описание исследования

В рамках исследовательского проекта будут решаться следующие: 1) генерация частотных гребенок и солитонов в среднем ИК и 2) генерация и изучение частотных гребенок и темных солитонов. Для генерации гребенок в среднем ИК будут рассчитаны оптимальные формы кристаллических микрорезонаторов, в том числе с микрометрическими выступами, обеспечивающие оптимальные дисперсионные характеристики. Благодаря этому в таких микрорезонаторах можно реализовать эффективное формирование солитонов и индуцированное солитонами черенковское излучение для расширения спектрального покрытия генерируемых когерентных частотных гребенок. Такие кристаллические микрорезонаторы будут изготавливаться в МЦКТ на специализированном прецизионном станке алмазного точения по специально разработанной методике, обеспечивающей оптимальное качество. Оптимальные параметры точения (скорость вращения шпинделя, скорость движения резца, глубина захода резки) будут получены для различных материалов (MgF2, CaF2, LiNbO3). Измерения в среднем ИК будут проводиться в EPFL в специально оборудованной лаборатории с использованием коммерческих квантово-каскадных лазерных модулей. Российская сторона проведет теоретический и численный анализ процесса генерации частотной гребенки в среднем ИК с учетом наличия дисперсионной волны и проведет полный асимптотический анализ системы, определяющий положение, интенсивность, спектральную ширину дисперсионной волны, а также спектральную отдачу, создаваемую этой волной, и ее влияние на свойства когерентности гребенки.

В МЦКТ будет разработана теория платиконов в оптических микрорезонаторах с нормальной дисперсией групповых скоростей, проведено численное моделирование процесса их генерации с помощью двухчастотной и амплитудно-модулированной накачки и разработана соответствующая методика. Будут также рассмотрены альтернативные методы генерации солитонных гребенок. На уникальном оборудовании в чистых комнатах Центра микронанотехнологий (CMI EPFL, Лозанна, Швейцария), доступ к которому имеет зарубежный партнер, будут производиться микрорезонаторы на чипе из SiN. В МЦКТ будет спроектирована и создана экспериментальная установка для генерации солитонных керровских частотных гребенок и гребенок на основе платиконов в видимом и ближнем ИК диапазоне и измерения их характеристик. В дальнейшем экспериментальная установка для генерации когерентных частотных гребенок в ближнем ИК и видимом диапазоне в режиме нормальной дисперсии групповых скоростей будет модернизирована с целью обеспечения возможности накачки с помощью коммерческих диодных лазеров.

В рамках проекта запланирована разработака предложений по созданию коммерческих компактных генераторов солитонных керровских частотных гребенок на основе солитонов платиконов в видимом, ближнем и среднем ИК диапазоне.

Результаты исследования

Оптические частотные гребенки произвели революцию в метрологии и экспериментальной физике и были отмечены Нобелевской премией в 2005 году (Дж. Холл, Т. Хэнш). Появление керровских гребенок на основе микрорезонаторов открывает путь к новым приложениям, где традиционные гребенки, требующие громоздкой аппаратуры не могут быть использованы. В этом случае частотная гребенка формируется спонтанно в оптическом кольцевом или микрорезонаторе типа шепчущей галереи посредство четырехволновых каскадных процессов. Хотя первоначальные ожидания были несколько охлаждены хаотичностью первого поколения гребенок,  нами было показано, что эта хаотичность обусловлена нелинейной динамикой процесса и не свзана с фундаментальными шумовыми процессами [1].  Было экспериментально продемонстрировано, что генерация сверхстабильных когерентных гребенок с синхронизацией мод, обусловленных солитонами возможна без значительных дополнительных усилий как в кристаллических микрорезонаторах [2], так и в кольцевых интегральных резонаторах из нитрида кремния [3].   Преодолимыми механизмами, препятствующие  образованию солитонов в микрорезонаторах является связь мод и дисперсии высоких порядков [4].

Когерентные керровские гребенки возможны не только при аномальной дисперсии групповой скорости  в материале, необходимой для формирования светлых оптических солитонов, но и для нормальнойо дисперсии с использованием так называемых "платиконов" – структур с плоской вершиной импульсов [5]. Это открывает возможность генерировать когерентное гребенки в УФ или среднем ИК-диапазоне спектра с полосой усиления ограниченной только окном прозрачности. Одним из методов получения платиконов является фазовая модуляция накачки [6].

Было показано, что динамическое зондирование солитонных состояний позволяет выполнить управляемое переключение и стабилизацию мультисолитонных состояний вплоть до получения наиболее удобных для применения единичных солитонов на одном обходе резонатора [7].

1. T. Herr, K. Hartinger, J. Riemensberger, C. Y. Wang, E. Gavartin, R. Holzwarth, M. L. Gorodetsky, and T. J.
Kippenberg, “Universal formation dynamics and noise of Kerr-frequency combs in microresonators,” Nature Photonics.
6, 480 (2012).

2. T. Herr, V. Brasch, J. D. Jost, C. Y. Wang, N. M. Kondratiev, M. L. Gorodetsky, and T. J. Kippenberg, “Temporal
solitons in optical microresonators,” Nature Photon. 8, 145 (2014).

3. V. Brasch, M. Geiselmann, T. Herr, G. Lihachev, M. H. P. Pfei er, M. L. Gorodetsky, and T. J. Kippenberg, “Photonic
chip based optical frequency comb using soliton Cherenkov radiation,” Science 351, 357 (2016)

4. T. Herr, V. Brasch, J. D. Jost, I. Mirgorodskiy, G. Lihachev, M. L. Gorodetsky, and T. J. Kippenberg, “Mode spectrum
and temporal soliton formation in optical microresonators,” Phys. Rev. Lett. 113, 123901 (2014).

5. V.E. Lobanov, G. Lihachev, T. J. Kippenberg, and M.L. Gorodetsky, "Frequency combs and platicons in optical microresonators with normal GVD," Opt. Express 23, 7713 (2015).

6. V. E. Lobanov, G. Lihachev, and M. L. Gorodetsky, “Generation of platicons and frequency combs in optical
microresonators with normal GVD by modulated pump,” EPL 112, 54008 (2015).

7. H. Guo, M. Karpov, E. Lucas, A. Kordts, M. H. P. Pfei er, V. Brasch, G. Lihachev, V. E. Lobanov, M. L. Gorodetsky, and T. J. Kippenberg, “Universal dynamics and deterministic switching of dissipative Kerr solitons in optical
microresonators,” Nature Phys. advance online publication (2016)

 

Практическая значимость исследования
Исследовательский проект может привести к созданию широко востребованного как в науке, так и в промышленности компактного, широкополосного и когерентного генератора частотной гребенки в ближнем и среднем ИК, а также в видимом диапазоне, и расширить использование частотных гребенок в новых актуальных приложениях, включая радиофотонику, спектроскопию, рамановскую спектрометрию и химический анализ.

Диапазон среднего ИК, или диапазон молекулярной дактилоскопии, используется для различных приложений, включая мониторинг промышленных процессов и химический анализ. В настоящее время во многих из этих приложений используются инфракрасные фурье-спектрометры в сочетании с некогерентных источниками, работающими в среднем ИК. Мировой рынок ИК-фурье-спектрометров оценивается более чем в 2 миллиарда евро. Эта методика ограничена из-за громоздкости ИК-фурье-спектрометров и их недостаточной чувствительности из-за наличия в них движущихся частей. Компактный источник частотной гребенки в среднем ИК, основанный на оптических микрорезонаторах, может обеспечить значительный потенциал для расширения возможностей и областей применения среднего ИК диапазона. Например, могут быть применены чрезвычайно перспективные методики двухгребеночной (или мультигетеродинной) спектроскопии, позволяеющие, в том числе, существенно улучшить время сбора данных. Это открывает новые возможности для мониторинга химических реакций, особенно важного в фармацевтике. Генерация гребенок может быть осуществлена с помощью доступных в настоящее время коммерческих квантово-каскадных лазеров, работающих при комнатной температуре и имеющих узкую ширину линии. Что касается видимого диапазона, он привлекателен тем, что в нем возможна биологическая визуализация из-за наличия в нем окна спектра пропускания воды, и он также характеризуется большими сечениями комбинационного рассеяния. Разработка компактного источника гребенок в этом диапазоне послужит для создания портативных диагностических приборов нового поколения.