Forscher haben gezeigt, dass dissipative Kerr-Solitonen (DKSs) verwendet werden können, um chipbasierte optische Frequenzkämme mit ausreichender Ausgangsleistung für den Einsatz in optischen Atomuhren und anderen praktischen Anwendungen zu erzeugen. Der Fortschritt könnte zu chipbasierten Instrumenten führen, die Präzisionsmessungen durchführen können, die bisher nur in wenigen Speziallaboren möglich waren.
Grégory Moille vom Joint Quantum Institute, NIST/University of Maryland, wird diese Forschung bei Frontiers in Optics + Laser Science vorstellen (FiO LS), die vom 9. bis 12. Oktober 2023 im Greater Tacoma Convention Center in Tacoma (Großraum Seattle), Washington, stattfinden wird.
„Frequenzkämme sind in der Messtechnik allgegenwärtig – so wie ein Lineal die Länge misst, können wir damit die optische Frequenz mit großer Präzision messen“, sagte Moille.
„Die Herstellung auf dem Chip hilft uns, ihren Stromverbrauch erheblich zu reduzieren, reduziert aber auch die Leistung in jedem Kammzahn. Dies macht es schwierig, Kämme auf dem Chip mit anderen Systemen wie Atomfrequenzstandards zu verbinden. Das zeigen wir, indem wir einfach vorsichtig eine weitere Schwachstelle injizieren.“ Mit dem Laser im Kammgerät können wir das System abstimmen und so die Leistung mehrerer Kammzähne um mehr als eine Größenordnung optimieren.“
Optische Frequenzkämme senden eine kontinuierliche Folge kurzer, eng beieinander liegender Lichtimpulse mit Millionen von Farben aus, mit denen Lichtwellen wie Radiowellen gemessen werden können. Dadurch können Technologien wie Atomuhren, Computer und Kommunikation mit optischen Wellen verbunden werden, die mit 10.000-mal höheren Frequenzen schwingen als in der Elektronik.
Während herkömmliche optische Frequenzkämme mit modengekoppelten Lasern erzeugt werden, die in der Regel auf wissenschaftliche High-End-Labors beschränkt sind, gibt es in jüngster Zeit Arbeiten zur Entwicklung optischer Frequenzkämme unter Verwendung kompakter, auf DKS basierender Mikroresonatoren im Chip-Maßstab. DKSs sind Lichtpakete, die auf einem doppelten Gleichgewicht aus Nichtlinearität und Dispersion sowie Dissipation und Verstärkung beruhen. Obwohl DKS-basierte Kämme sehr wenig Energie verbrauchen, erzeugen sie auch nicht genug Ausgangsleistung, um nützlich zu sein.
In der neuen Arbeit nutzen Forscher die neu vorgeschlagene Kerr-induzierte Synchronisierung von Kerr-Solitonen mit einer externen stabilen Laserreferenz, um optische Frequenzkämme mit höheren Leistungsniveaus zu erzeugen. Dies führt zu einer erheblichen Leistungssteigerung auf der anderen Seite des Kammspektrums des Referenzlasers.
Die Forscher demonstrieren sowohl theoretisch als auch experimentell, dass eine externe Referenzpumpe bei 193 THz die Abstimmung der Wiederholungsrate eines oktavübergreifenden Kamms ermöglicht. Dies ermöglicht die Abstimmung des Phasenanpassungszustands des Kammzahns an der dispersiven Welle in einer Weise, die deren Leistung optimiert. Neben einem selbstausgleichenden Effekt, der direkt mit der Kernrobustheitseigenschaft des DKS zusammenhängt, zeigen sie eine mehr als 15-fache Leistungssteigerung am 388-THz-Kammzahn.
„Wir kratzen nur an der Oberfläche dessen, was optimiert werden kann“, erklärt Moille. „Wir haben die Leistungsgrenze dieser Optimierung noch nicht erreicht und hoffen, ein Leistungsniveau zu erreichen, das mit der direkten Verbindung unseres Kamms mit anderen Systemen kompatibel ist.“