Die Erfindung optischer Frequenzkämme revolutionierte die Frequenzmesstechnik und Zeitmessung. Die Miniaturisierung solcher Kämme auf photonischen Chips, die in erster Linie den Mikroresonator Kerr-Soliton-Frequenzkamm nutzt, erweitert diese Funktionalitäten, indem sie tragbare Lösungen für ultraschnelle Spektroskopie, Laserfrequenzsynchronisierung sowie stabile optische, Millimeterwellen- und Mikrowellenfrequenzerzeugung bietet.
Für viele dieser Anwendungen werden rauscharme Solitonen-Frequenzkämme benötigt. Die Stabilisierung der Solitonen-Wiederholungsrate und des Trägerhüllkurven-Offsets erfordert jedoch typischerweise komplizierte externe Mechanismen wie Frequenzverdopplung und elektrooptische Teilung.
Die ultra-verlustarme Dünnschicht-Photonikplattform aus Lithiumniobat mit ihrem starken elektrooptischen Effekt und der effizienten Erzeugung der zweiten Harmonischen verspricht die Aufnahme integrierter Frequenzkämme, die durch On-Chip-Komponenten vollständig stabilisiert werden. Oktavenübergreifende Solitonen mit vollständig verbundenem Spektrum, die für die Stabilisierung durch integrierte elektrooptische Modulatoren und periodisch gepolte Wellenleiter geeignet sind, wurden jedoch noch nicht demonstriert.
Dies liegt zum Teil daran, dass Lithiumniobat-Mikroresonatoren Raman-Laser mit niedriger Schwelle aufweisen, ein nichtlinearer Prozess, der in Konkurrenz zum Kerr-Effekt steht, der parametrische Schwingungen initiiert und Solitonenzustände modenverriegelt. Daher sind genaue Richtlinien erforderlich, um Raman-Laser in Lithiumniobat-Mikroresonatoren zu unterdrücken, die nicht nur Oktaven-übergreifende Solitonenquellen ermöglichen, sondern auch ihre Stabilisierung auf Chip-Ebene und ihre zuverlässige Integration in große photonische Systeme erleichtern würden.
„Dünnschicht-Lithiumniobat hat sich als sehr leistungsfähiges Material für die Photonik erwiesen“, sagte Yunxiang Song, Doktorand in Quantenwissenschaft und -technik an der Harvard University. „Unser Ziel war es daher, ein umfassendes Verständnis für die Erzeugung von Soliton-Mikrokämmen auf dieser Plattform zu entwickeln, damit diese in Verbindung mit den bewährten aktiven Modulations- und Frequenzumwandlungsfunktionen genutzt werden können, um letztlich besser integrierte Kammquellen zu bauen.“
In einem neuen Papier veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und AnwendungenEin Forscherteam unter der Leitung der Professoren Marko Lončar und Kiyoul Yang von der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences der Harvard University hat bei diesem Ziel Fortschritte gemacht. Sie demonstrierten oktavenübergreifende Kerr-Solitonen-Frequenzkämme auf der dünnschichtigen photonischen Lithiumniobat-Plattform.
Sie haben auch Designregeln aufgestellt, die auf der Entwicklung des Mikroresonator-Modusabstands und des Dissipationsprofils basieren und die Raman-Laserstrahlung zugunsten der Erzeugung von Soliton-Frequenzkämmen konsequent unterdrücken. Insbesondere wenn der Mikroresonator-Modusabstand größer als die Raman-Verstärkungsbandbreite gemacht wird, zeigten sie ein Oktaven-übergreifendes Soliton im Bereich von 131 bis 263 THz.
Noch besser: Als die Dissipation in der Nähe der Raman-Lasermodi mithilfe einer Riemenscheibenkupplung erhöht wurde, erzielten sie eine Erfolgsrate von über 88 % bei der Herstellung von Solitonen-unterstützenden Mikroresonatoren in verschiedenen Designs, einschließlich verschiedener Dispersionen und Resonatorgrößen, und zeigten außerdem ein Oktaven umfassendes Soliton im Bereich von 126 bis 252 THz ohne spektrale Lücken.
Die beschriebene Raman-Unterdrückungsmethode könnte die zukünftige Entwicklung von Soliton-Frequenzkämmen auf dünnen Lithiumniobat-Schichten beschleunigen und eine direkte Erzeugung nichtlinearer Frequenzkämme in anderen neuen elektrooptischen, kristallinen Materialien wie dünnen Lithiumtantalat-Schichten ermöglichen, bei denen störende Raman-Lasereffekte eine Rolle spielen dürften. Darüber hinaus könnten die vollständig verbundenen, Oktaven überspannenden Soliton-Zustände Demonstrationen auf Systemebene ermöglichen, wie etwa optische Frequenzsynthese und kammreferenzierte Laserspektroskopie.
Das Team ist davon überzeugt, dass „die zuverlässige Herstellung oktavenübergreifender Solitonen-Frequenzkämme, obwohl noch in einem frühen Stadium, Potenzial für die Entwicklung monolithischer und kompakter kammgetriebener photonischer Systeme auf Basis von dünnschichtigem Lithiumniobat bietet.“
Weitere Informationen:
Yunxiang Song et al., Oktavenübergreifende Kerr-Solitonen-Frequenzkämme in dispersions- und dissipationsoptimierten Lithiumniobat-Mikroresonatoren, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2024). DOI: 10.1038/s41377-024-01546-7