Новая встроенная гребенка частот сочетает в себе связанный резонатор с электронно-оптической гребенкой частот для повышения эффективности гребенки частот и расширения полосы пропускания. Предоставлено: Yiqing Pei/Harvard SEAS

Встроенные лазерные частотные гребенки — лазеры, которые излучают несколько частот или цветов света, разделенных одновременно, как зубец на гребенке, — являются многообещающей технологией для целого ряда приложений, включая мониторинг окружающей среды, оптические вычисления, астрономию и метрологию. Однако встроенные гребенки частот по-прежнему ограничены одной серьезной проблемой — они не всегда эффективны. Есть несколько способов смягчить проблему эффективности, но все они сопряжены с компромиссами. Например, гребенки могут иметь либо высокую эффективность, либо широкую полосу пропускания, но не то и другое одновременно. Невозможность разработать интегрированную лазерную гребенку частот, которая была бы одновременно эффективной и широкой, на многие годы загнала исследователей в тупик и препятствовала широкой коммерциализации этих устройств.

Теперь команда из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработала электрооптическую частотную гребенку, которая в 100 раз эффективнее, чем предыдущие современные версии, и имеет пропускная способность более чем в два раза.

«Наше устройство прокладывает путь к практическим гребенчатым генераторам оптических частот и открывает двери для новых приложений, — сказал Марко Лончар, профессор электротехники Тяньцай Линь в SEAS и старший автор исследования. — Оно также предоставляет платформу для изучения новых областей оптической физики».

Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.

Это продвижение основано на предыдущих исследованиях Лончара и его команды.

В 2019 году Лончар и его лаборатория продемонстрировали первую стабильную частотную гребенку на кристалле, которой можно было управлять с помощью микроволн. Эта так называемая электрооптическая частотная гребенка, построенная на платформе ниобата лития, впервые разработанной в лаборатории Лончара, охватывала всю полосу пропускания телекоммуникаций, но была ограничена в своей эффективности. В 2021 году команда разработала устройство со связанными резонаторами для управления потоком света и использовала их для демонстрации встроенных преобразователей частоты — устройства, которое может изменять цвет света почти со 100-процентной эффективностью.

В последних исследованиях применяются две концепции для решения проблемы электрооптических гребенок на основе резонаторов: компромисс между эффективностью и полосой пропускания.

«Мы продемонстрировали, что, комбинируя эти два подхода — связанный резонатор с электронно-оптической гребенкой частот, — мы можем значительно повысить эффективность без ущерба для полосы пропускания. На самом деле мы действительно улучшили полосу пропускания», — сказал Яовэн Ху, научный сотрудник SEAS и первый автор статьи.

«Мы обнаружили, что когда вы повышаете производительность гребенчатого источника до этого уровня, устройство начинает работать в совершенно новом режиме, который сочетает в себе процесс генерации электрооптической гребенки частот с более традиционным подходом частотной гребенки Керра», — сказал он. Мэнцзе Ю, бывший научный сотрудник SEAS и соавтор статьи.

Ю в настоящее время является доцентом в Университете Южной Калифорнии.

Эта новая гребенка может генерировать сверхбыстрые фемтосекундные импульсы высокой мощности. Вместе с высокой эффективностью и широкополосностью это устройство может быть полезно для приложений в астрономии, оптических вычислениях , дальномере и оптической метрологии.

Соавторами исследования выступили Брэндон Бускайно, Нил Синклер, Ди Чжу, Ребекка Ченг, Амирхассан Шамс-Ансари, Линбо Шао, Миан Чжан и Джозеф М. Кан.