Большинство имеющихся на рынке источников гребенчатой оптической частоты на основе лазеров с синхронизацией мод являются большими и дорогими, что ограничивает их потенциал для использования в больших объемах и портативных приложений. Хотя версии оптических частотных гребенок в масштабе микросхемы с использованием микрорезонаторов были впервые продемонстрированы в 2007 году, полностью интегрированная форма была затруднена из-за высоких материальных потерь и сложных механизмов возбуждения.
Исследовательские группы под руководством Тобиаса Дж. Киппенберг в EPFL и Майкл Л. Городецкий из Российского квантового центра построил интегрированную солитонную микрогребню, работающую с частотой повторения 88 ГГц, с использованием лазерного диода на фосфиде индия и микрорезонатора из нитрида кремния (Si3N4).
Его размер составляет всего 1 см3, что делает его самым маленьким в своем роде на сегодняшний день.
Микрорезонатор из нитрида кремния (Si3N4) изготовлен с использованием запатентованного процесса фотонного оплавления Damascene, который обеспечивает беспрецедентно низкие потери в интегрированной фотонике. Эти волноводы со сверхнизкими потерями перекрывают разрыв между лазерным диодом на основе чипа и уровнями мощности, необходимыми для возбуждения диссипативных состояний солитона Керра, которые лежат в основе генерации гребенок оптических частот.
В этом методе используются коммерчески доступные лазеры на основе кристаллов на фосфиде индия в отличие от обычных объемных лазерных модулей. В опубликованной работе небольшая часть лазерного света отражается обратно в лазер из-за собственного рассеяния от микрорезонатора. Эта прямая обратная связь помогает как стабилизировать лазер, так и генерировать солитонную гребенку. Это показывает, что и резонатор, и лазер могут быть интегрированы в один чип, что является уникальным улучшением по сравнению с предыдущими технологиями.
«Существует значительный интерес к источникам оптических частотных гребенок, которые имеют электрический привод и могут быть полностью фотонно интегрированы для удовлетворения требований приложений следующего поколения, особенно LIDAR и обработки информации в центрах обработки данных», – говорит Киппенберг. «Это не только представляет собой технологический прогресс в области диссипативных солитонов Керра, но также дает представление об их нелинейной динамике, а также быстрой обратной связи от резонатора."
Вся система может поместиться в объеме менее 1 см3 и может управляться электрически. «Компактность, простой метод настройки, низкая стоимость и низкая частота повторения делают эту систему микрогребней интересной для массового производства», – говорит аспирант Арслан Саджид, ведущий автор исследования. «Его главное преимущество – быстрая оптическая обратная связь, которая устраняет необходимость в активном электронном или любом другом механизме настройки на кристалле."
Теперь ученые стремятся продемонстрировать интегрированный спектрометр и многоволновый источник, а также улучшить процесс изготовления и метод интеграции, чтобы продвинуть источник микрогребней с частотой повторения микроволн.