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Os pesquisadores demonstraram que os sólitons de Kerr dissipativos (DKSs) podem ser usados para criar pentes de frequência óptica baseados em chips com potência de saída suficiente para uso em relógios atômicos ópticos e outras aplicações práticas. O avanço poderá levar a instrumentos baseados em chips capazes de fazer medições precisas que antes só eram possíveis em alguns laboratórios especializados.
Grégory Moille do Joint Quantum Institute, NIST/University of Maryland, apresentará esta pesquisa na Frontiers in Optics + Laser Science (FiO LS), que será realizada de 9 a 12 de outubro de 2023 no Greater Tacoma Convention Center em Tacoma (Grande Área de Seattle), Washington.
“Os pentes de frequência são onipresentes na metrologia – assim como uma régua mede o comprimento, eles nos permitem medir a frequência óptica com grande precisão”, disse Moille. “Fazer eles no chip nos ajuda a reduzir muito o consumo de energia, mas também reduz a potência em cada dente do pente. Isso torna difícil a interface dos pentes no chip com outros sistemas, como padrões de frequência atômica. Mostramos isso simplesmente injetando cuidadosamente outro fraco laser no dispositivo do pente, ele nos permite ajustar o sistema e, portanto, otimizar a potência em vários dentes do pente em mais de uma ordem de grandeza.”
Os pentes de frequência óptica emitem um trem contínuo de pulsos de luz curtos e próximos, contendo milhões de cores, que podem ser usados para medir ondas de luz como se fossem ondas de rádio. Isto permite que tecnologias como relógios atômicos, computadores e comunicações sejam conectadas a ondas ópticas que oscilam em frequências 10.000 vezes mais altas do que as encontradas na eletrônica.
Embora os pentes de frequência óptica convencionais sejam gerados usando lasers de modo bloqueado que tendem a ser restritos a laboratórios científicos de ponta, tem havido um trabalho recente para desenvolver pentes de frequência óptica usando microrressonadores compactos em escala de chip baseados em DKSs. DKSs são pacotes de luz que dependem de um equilíbrio duplo de não linearidade e dispersão, bem como de dissipação e ganho. Embora os pentes baseados em DKS consumam muito pouca energia, eles também não produzem potência de saída suficiente para serem úteis.
No novo trabalho, os pesquisadores aproveitam a recém-proposta sincronização de sólitons de Kerr induzida por Kerr a uma referência de laser estável externa para produzir pentes de frequência óptica com níveis mais altos de potência. Isto cria um aumento substancial de potência no outro lado do espectro do pente do laser de referência.
Os pesquisadores demonstram, tanto teórica quanto experimentalmente, que uma bomba de referência externa a 193 THz permite o ajuste da taxa de repetição de um pente de oitava. Isto permite o ajuste da condição de correspondência de fase do dente do pente na onda dispersiva de uma forma que otimiza sua potência. Juntamente com um efeito de autoequilíbrio, diretamente relacionado à propriedade de robustez central do DKS, eles demonstram um aumento de potência de mais de 15 vezes no dente do pente de 388 THz.
“Estamos apenas começando a entender que otimização pode ser realizada”, explica Moille. “Não atingimos o limite de potência desta otimização e esperamos atingir um nível de potência compatível com a interface direta do nosso pente com outros sistemas”
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