Российские исследователи совершили важное открытие, позволяющее значительно снизить мощность лазера, необходимую для инициирования оптических параметрических колебаний в микрорезонаторах. Эти миниатюрные кольцевые чипы играют ключевую роль в создании компактных, энергоэффективных устройств и перспективных квантовых компьютеров.
Микрорезонаторы: Сердце компактной фотоники
Микрорезонаторы представляют собой крошечные оптические элементы в форме кольца, интегрированные на кремниевые чипы или другие подложки. Они служат накопителями света и являются фундаментальными компонентами для разработки миниатюрных и экономичных оптических приборов. Особый интерес вызывают резонаторы со способностью к нелинейному преобразованию светового излучения.
Новый подход к генерации колебаний
Коллектив ученых из Российского квантового центра и МФТИ совместно с исследователями Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и МГУ сосредоточился на изучении интегральных кольцевых микрорезонаторов для возбуждения специфического явления – вырожденных оптических параметрических колебаний. Это процесс взаимодействия света с нелинейной средой, приводящий к появлению новой световой моды на уникальной частоте, обладающей двумя стабильными фазовыми состояниями.
Бихроматическая накачка и ее потенциал
Отличительной чертой исследования стало использование бихроматической накачки – воздействия на резонатор светом двух различных длин волн. В такой системе ниже определенного порога мощности возникают неклассические состояния света, а выше порога – формируется параметрический сигнал с фазовой бистабильностью (двумя устойчивыми состояниями фазы). Подобные резонаторы критически важны для создания когерентных машин Изинга (оптических вычислителей) и генераторов сжатого света, широко применяемых в фотонных и квантовых вычислениях.
Преодоление барьера энергопотребления
Ключевым препятствием для практического использования сигнальных мод с бистабильной фазой являлось их высокое энергопотребление. Достижение необходимой мощности в микрорезонаторе часто сопровождается нежелательными тепловыми эффектами. Для решения этой проблемы ученые детально исследовали условия, позволяющие генерировать нужную моду с минимальными затратами энергии.
Исследователи разработали аналитическую модель, провели численное моделирование с использованием уравнений связанных мод и проанализировали влияние дисперсии и асимметрии. Это позволило определить пороговые значения амплитуд накачки. Результаты оказались впечатляющими: оптимизация сдвига мод и геометрии резонатора способна снизить пороговую мощность более чем на 50%.
Многомодовый анализ и дисперсионная инженерия
Ученые выполнили комплексный многомодовый анализ, учитывающий влияние множества взаимодействующих мод на порог накачки. Они также предложили инновационный метод – преднамеренный сдвиг частот ключевых мод с использованием "фотонных молекул" (связанных резонаторов). Этот подход дисперсионной инженерии показал, что сдвиг центральной моды снижает порог на 50%, а симметричный сдвиг боковых мод – на 40%.
Устойчивость и перспективы внедрения
Новый метод продемонстрировал выдающуюся устойчивость системы к разнице в мощности двух накачивающих лучей – до 2%. Это десятикратно превышает стандартные требования для стабильной генерации. Подобное улучшение существенно упрощает настройку лазерных систем и интеграцию технологии в компактные практические устройства.
Перспективы дальнейших исследований включают изучение роли обратной волны в генерации бистабильного сигнала, экспериментальную проверку предсказанных оптимизированных режимов и исследование режимов затягивания частоты для повышения стабильности и эффективности устройств будущего.
Источник: naked-science.ru
