En ny model af frekvenskamme i optiske mikroresonatorer

Et team fra Fakultet for Fysik ved Lomonosov Moskva Statsuniversitet, sammen med forskere fra Russian Quantum Center, har udviklet en ny matematisk model, der beskriver processen med forekomst af soliton i optiske mikroresonatorer. I fremtiden, dette kan føre til universelle optiske oscillatorer og andre fremskridt. Værket blev offentliggjort i Optik Express .

I 2017, et hold forskere ledet af Mikhail Gorodetsky, professor ved Det Fysiske Fakultet, MSU, udviklet en metode til styring af antallet af solitoner i såkaldte optiske mikroresonatorer. Mikroresonatorer er grundlaget for moderne fotonik, en videnskab, der har specialiseret sig i optiske signaler. En resonator er en ringformet fælde for lys, hvor en foton græssende rebounder mange gange, bevæger sig i cirkler.

Solitons er ensomme lokaliserede bølger, der vises i resonatorer, hvis brydningsindekset for en resonators byggemateriale er ikke -lineært og er en bestemt funktion af bølgelængden. I dette tilfælde, en laserstråle, efter at have foretaget et antal runder inde i en resonator, opdeles i separate solitons (dvs. autofokuserer og bliver til femtosekund-lange pulser).

Når du bruger disse resonatorer, forskere er især interesserede i de såkaldte soliton "optiske kamme"-skabt i resonatorer med et typisk kamformet optisk spektrum, hvor afstanden mellem to tilstødende toppe er lig med den omvendte tid, lyset kræver for at lave hele cirklen. Sådanne kamme kan bruges til at løse en række anvendte problemer.

Problemet er, at forekomsten af ​​nyttige kamme i en resonator baseret på magnesiumfluorid (MgF ₂ ) eller smeltet silica er forbundet med en række skadelige virkninger. Disse omfatter den såkaldte kombinations- eller Raman-spredning. Det skyldes svingninger af separate molekyler i et stof. Efter at have nået overfladen af ​​et sådant stof, lys udsendes igen med en anden bølgelængde. Effekten har en tærskel, afhængigt af strålingens intensitet og stoffets sammensætning, og forårsager ødelæggelse af solitoner og spektrumforvrængning. Forskere dykker normalt ikke dybt ned i karakteren af ​​denne effekt, når de opretter ligninger, der beskriver effekter i mikroresonatorer, og kun anvende nogle korrektioner på ligninger. I det nye papir, forskergruppen undersøgte arten af ​​denne effekt og udviklede nye ligninger, der beskriver dannelsen af ​​optiske kamme under hensyntagen til Raman -spredning. Ligningssystemet kan bruges til numerisk simulering af de effekter, der forekommer i optiske resonatorer.

"Vi brugte disse ligninger til at kontrollere lysets adfærd i resonatorer med unormal dispersion og opnåede tidligere kendte effekter. Således, vi har testet vores teori, "forklarede professor Gorodetsky." Efter det anvendte vi det på kamme med normal dispersion, der har platoner (pulser med plateauformede toppe af spektrum) i stedet for solitoner. "

Den nye model gav forskerne mulighed for at forudsige en række tidligere ukendte effekter, for eksempel, når regelmæssige dispersionspulser er stærkt forvrænget på grund af spredning af Raman - de ødelægges, begynde at splitte, osv. De nye matematiske værktøjer er vigtige for forskere at forstå, hvordan man opnår optiske kamme i miljøer med regelmæssig spredning. Yderligere eksperimenter forventes at bevise konklusionerne på eksemplet med platicons.

"I øjeblikket, der er kun få laboratorier i verden, der studerer soliton kamme. Sammen med vores schweiziske kolleger, vi var de første til at demonstrere dem. De er meget udbredt, især i spektroskopi med høj nøjagtighed, at øge informationsudvekslingens hastighed, i telekommunikationsnetværk, og i LIDAR, "forklarede Gorodetsky." For nogen tid siden, Tyske forskere brugte optiske kamme til nøjagtigt at bestemme formen på en kugle i bevægelse og formåede at se, hvordan den ændres på grund af luftmodstand. "

Optiske kamme giver udsigt til at udvikle optiske oscillatorer baseret på kun en chip og udsender lys med enhver forudindstillet frekvens, hvilket er umuligt for moderne lasere og andre generatorer. I øvrigt, de kan tjene som grundlag for lommetype-spektrometre til at analysere sammensætningen af ​​stoffer. I øjeblikket, denne opgave kræver ganske massive enheder.