Фото. На фотографии (в центре) изображен чип DOPO, интегрированный с диодным лазером для генерации топологического солитонного гребенчатого спектра. Фото: Алиреза Маранди.

В типичной линейной оптике материал или устройство — например, линзы в очках — реагирует пропорционально электрическому полю падающего света. Другими словами, частоты, входящие в устройство, совпадают с частотами, выходящими из него. В отличие от этого, при наличии нелинейности реакция материала не пропорциональна. Например, гитарный усилитель, немного увеличенный по громкости, продолжает воспроизводить чистый тон, но если громкость увеличить слишком сильно, слушатель начинает слышать гармоники и обертоны, которых не было в исходном звуке. Аналогично, в нелинейных оптических материалах, когда интенсивность света достигает достаточно высоких значений, смещение электронов материала в ответ на электрическое поле света увеличивается не только пропорционально напряженности поля, но и пропорционально её квадрату или кубу. Эти эффекты имеют центральное значение для создания частотных гребенок и соответствуют тому, что физики называют квадратичной и кубической нелинейностью.

Для изготовления высококачественных резонаторов требуются строгие технологические ограничения. Новое устройство Калифорнийского технологического института, называемое вырожденным оптическим параметрическим генератором (DOPO), использует гораздо более сильную квадратичную нелинейность в ниобате лития, что позволяет удерживать свет достаточно долго для получения нелинейного отклика.

DOPO обеспечивают оптическое преобразование частоты: начиная с входного света с заданной частотой, они генерируют сигнальный свет с частотой, вдвое меньшей из этих частот. В частности, исходящий сигнальный свет может иметь только две возможные фазы (состояния), в колебании электрического поля — либо 0, либо π, также обозначаемые как +1 или -1. Сигнальное поле должно представлять собой непрерывную волну с амплитудой +1 или -1. Когда два состояния соединяются в переходной области (в точке нуля), образуя темный импульс — это называется топологическим солитоном.

Данная работа знаменует собой первое экспериментальное доказательство того, что такие солитоны могут быть получены во временной области, где поле в DOPO находится в состоянии +1 на части каждого кругового пути и в состоянии -1 на другой части. Ученые подтвердили образование этих темных импульсов длительностью приблизительно 60 фемтосекунд, что соответствует широкому частотному гребню. Благодаря DOPO этот топологический частотный гребень формируется на частоте, вдвое меньшей, чем частота входящего света.

Была продемонстрирована принципиальная возможность создания полностью интегрированного источника частотного гребеня путем прямого подключения электрически управляемого лазерного диода к чипу DOPO. В результате было получено как состояние с двумя солитонами в частотном гребешке, так и состояние с солитонным кристаллом, то есть оно содержит множество солитонов (в данном случае, 16 равномерно расположенных темных импульсов).