Исследователи Фучуань Лей (на фото) из компании Victor Torres Company и их коллеги из Технологического университета Чалмерса в Швеции представляют новые идеи о том, как частотные гребенки на чипе могут измерять более точно и использовать оптические приложения для современной частотной метрологии. Например, крошечные фотонные устройства можно использовать для обнаружения новых экзопланет или наблюдения за нашим здоровьем. Предоставлено: Технологический университет Чалмерса.

Линейка из света — это упрощенное описание микрогребенки. Короче говоря, принцип основан на том, что лазер излучает свет, который циркулирует внутри небольшой полости, так называемого микрорезонатора. Там свет делится на множество цветов или частот. Частоты точно расположены, как метки на линейке.

Сегодня практически все оптические измерения могут быть связаны со световыми частотами, и это дает микрогребням множество различных областей применения — от калибровки инструментов, измеряющих сигналы на расстоянии световых лет, до идентификации и отслеживания нашего здоровья с помощью воздуха, который мы выдыхаем.

Новое понимание линий частотной гребенки

«Лазерные частотные гребенки произвели революцию в исследованиях, основанных на метрологии частоты», — говорит Виктор Торрес Компани, профессор кафедры микротехнологий и нанонауки MC2 Технологического университета Чалмерса.

Ключевой вопрос при работе с микрогребенками — насколько узки линии частотной гребенки. Еще несколько лет назад господствовало мнение, что линии не могут быть уже, чем входной свет от лазера. Когда исследователи начали исследовать это более глубоко, было обнаружено, что линии, расположенные дальше от лазера, немного шире, чем линии, расположенные в центре. Причиной этого считались источники шума в микрорезонаторе.

Когда Фучуань Лей, исследователь из MC2, проверил эти теории и провел эксперименты с устройствами, изготовленными в Лаборатории нанотехнологий MC2, он обнаружил, что некоторые линии на самом деле уже, чем свет самого лазерного источника. Он проследил все источники шума, которые могут повлиять на ширину или чистоту линий, повторил эксперименты и продолжал получать тот же результат.

Новая теория на месте

«Мы не понимали, почему, но на основе этих результатов мы разработали теоретическую модель, которая объяснила, что произошло, провели моделирование и подтвердили с помощью экспериментов, что наша модель верна», — говорит компания Victor Torres. «Ранее было неясно, как различные механизмы шума повлияют на ширину линий гребенки в микрогребенке».

«Сначала мы думали, что что-то не так, но как только у нас появилась наша теория, все стало ясно», — говорит Фучуань Лэй.

То, насколько узкие метки в микрогребне, имеет большое значение для того, как его можно использовать. Микрогребень с узко расположенной маркировкой позволяет проводить еще более точные измерения, и именно поэтому понимание того, почему линии более узкие, является ключевым вопросом при разработке микрогребней. Компания Victor Torres сравнивает ее с линейками из разных материалов.

Можно точнее измерить

«Представьте, что вы рисуете маркеры мелом, а не карандашом. Вы можете определить сетку, можете задать расстояние, но с помощью карандаша вы можете измерить более точно, потому что тогда у вас есть линейка с очень хорошей точностью», — говорит он.

То, что изначально было интересным любопытством, обнаруженным исследователями, открыло физические механизмы того, что заставляет линии в микросотах различаться по ширине.

«Благодаря нашим исследованиям и публикациям те, кто занимается проектированием устройств такого типа, поймут, как различные источники шума влияют на различные параметры и производительность микрогребенки», — говорит компания Victor Torres.

Статья «Оптическая ширина линии солитонных микрогребней» была опубликована в Nature Communications.