Cientistas demonstram pentes de frequência de solitons abrangendo oitavas em niobato de lítio de película fina

A invenção dos pentes de frequência óptica revolucionou a metrologia de frequência e a cronometragem. A miniaturização desses pentes em chips fotônicos, alavancando principalmente o pente de frequência soliton do microrressonador Kerr, expande essas funcionalidades ao fornecer soluções portáteis para espectroscopia ultrarrápida, sincronização de frequência a laser, bem como geração estável de frequência óptica, de ondas milimétricas e de micro-ondas.

Para muitas dessas aplicações, são necessários pentes de frequência de solitons de baixo ruído, mas a estabilização da taxa de repetição de solitons e o deslocamento do envelope da portadora normalmente exigem maquinários complicados fora do chip, como duplicação de frequência e divisão eletro-óptica.

A plataforma fotônica de niobato de lítio de película fina de perda ultrabaixa, com seu forte efeito eletro-óptico e geração eficiente de segundo harmônico, promete hospedar pentes de frequência integrados totalmente estabilizados por componentes no chip. No entanto, solitons de abrangência de oitava com espectro totalmente conectado, adequados para estabilização por moduladores eletro-ópticos integrados e guias de onda periodicamente polarizados, não foram demonstrados.

Isso se deve em parte aos microrressonadores de niobato de lítio que exibem laser Raman de baixo limiar, um processo não linear em competição com o efeito Kerr que inicia oscilação paramétrica e bloqueia estados de solitons de modo. Portanto, diretrizes precisas são necessárias para suprimir o laser Raman em microrressonadores de niobato de lítio, o que não apenas permitiria fontes de solitons de abrangência de oitava, mas também facilitaria sua estabilização em escala de chip e integração confiável em sistemas fotônicos de larga escala.

“O niobato de lítio de película fina provou ser um material muito poderoso para fotônica”, disse Yunxiang Song, um aluno de doutorado em Ciência e Engenharia Quântica na Universidade de Harvard. “Então, nosso objetivo era desenvolver uma compreensão abrangente para a geração de microcomb soliton nesta plataforma, para que pudessem ser usados ​​em conjunto com suas capacidades bem estabelecidas de modulação ativa e conversão de frequência, em última análise para construir fontes de pente melhor integradas.”

Em um novo artigo publicado em Luz: Ciência e Aplicaçõesuma equipe de cientistas, liderada pelos professores Marko Lončar e Kiyoul Yang da John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences da Universidade Harvard, progrediu em direção a esse objetivo. Eles demonstraram pentes de frequência de solitons Kerr de abrangência de oitava na plataforma fotônica de niobato de lítio de filme fino.

Eles também estabeleceram regras de design, baseadas na engenharia do espaçamento do modo microrressonador e perfil de dissipação, que suprime consistentemente o laser Raman em favor da geração de pente de frequência soliton. Especificamente, quando o espaçamento do modo microrressonador é tornado maior do que a largura de banda de ganho Raman, eles mostraram um soliton de abrangência de oitava abrangendo 131 a 263 THz.

Melhor ainda, quando a dissipação perto dos modos de laser Raman foi aumentada usando um acoplamento do tipo polia, eles alcançaram uma taxa de sucesso de mais de 88% na fabricação de microrressonadores de suporte de soliton em diferentes designs, incluindo várias dispersões e tamanhos de ressonador, e também mostraram um soliton de abrangência de oitava abrangendo 126 a 252 THz sem lacunas espectrais.

O método de supressão Raman relatado pode acelerar o desenvolvimento futuro de pentes de frequência soliton em niobato de lítio de filme fino, bem como permitir a geração direta de pentes de frequência não linear em outros materiais eletro-ópticos e cristalinos emergentes, como tantalato de lítio de filme fino, onde se espera que o laser Raman interferente desempenhe um papel. Além disso, os estados soliton totalmente conectados e abrangendo oitavas podem desbloquear demonstrações em nível de sistema, como síntese de frequência óptica e espectroscopia a laser referenciada por pente.

A equipe acredita que “embora ainda esteja em seus estágios iniciais, a fabricação confiável de pentes de frequência de solitons abrangendo oitavas mostra potencial para o desenvolvimento de sistemas fotônicos monolíticos e compactos acionados por pentes baseados em niobato de lítio de película fina”.