Научные сотрудники Лаборатории волоконных лазеров Физического факультета Новосибирского государственного университета выяснили, что для изготовления вариации радиуса на поверхности оптоволокна не нужна высокая точность. Достаточно взять обычный кусок волокна, сделать на нем пару выемок и автоматически получить систему, в которой уже возможна генерация оптической частотной гребенки с низкой частотой повторения. Результаты их исследования опубликованы в журнале Optics Letters (Soliton-comb solutions for fiber-based bottle microresonators, https://doi.org/10.1364/OL.544823)
— В своей работе мы показываем, что цилиндрические микрорезонаторы являются простой и надежной платформой для генерации оптических частотных гребенок с низкой частотой повторения. Если в такую систему вводятся малые вариации радиуса, то существует набор аксиальных мод с различным пространственным распределением вдоль оси волокна, при этом спектральное расстояние между ними может быть уменьшено вплоть до 100 МГц. В ранних работах уже была проведена теоретическая демонстрация аксиальной гребенки в цилиндрическом микрорезонаторе с параболической вариацией радиуса на качественном уровне. Наше исследование раскрывает контринтуитивный факт: ширина аксиального солитона слабо зависит от дисперсии мод и может наблюдаться, в принципе, в системе с любой формой вариации радиуса. Это значительно упрощает изготовление системы для генерации оптических частотных гребенок. Таким образом, любой кусок оптического волокна, независимо от его формы и шероховатости поверхности, может быть использован для генерации гребенок, — рассказала младший научный сотрудник Лаборатории волоконных лазеров ФФ НГУ Алена Колесникова.
Оптическая частотная гребенка – это спектр сигнала, который выглядит как набор узких спектральных линий, равноудаленных друг от друга с высокой точностью. По своей сути это линейка частот. Сам сигнал, которому соответствует такой спектр, представляет из себя последовательность импульсов, приходящих на измерительный прибор с одной частотой, которая равна как раз расстоянию между линиями в гребенке. Так как гребенка – это своего рода линейка частот, то основным применением является сверхточное измерение частоты и времени. А это в свою очередь открывает широкий спектр применений в областях спектроскопии, оптических часов, GPS-навигации, измерении расстояния в астрономии, а также имеет приложения в телекоммуникациях и тд.
Существуют два варианта генерации частотных гребенок: лазеры с синхронизацией мод и микрорезонаторы. Первая платформа позволяет генерировать гребенки с малой частотой повторения, то есть с малым шагом линейки, но требует значительного энергопотребления и обладает относительно большими размерами. Микрорезонаторы в свою очередь обладают малыми размерами и требует меньше мощности, однако расстояние между линиями ограничено. Чтобы сократить его, необходимо увеличить размеры резонатора, но тогда он будет требовать большой мощности.
— Как в любом резонаторе, в микрорезонаторах существуют моды – это устойчивое распределение электромагнитного поля, являющееся следствием ограничения пространства, в котором оно существует. В зависимости от формы микрорезонатора, мы получаем различные пространственные распределения мод. Каждой моде соответствует своя резонансная частота. Для того, чтобы была возможна генерация гребенок в микрорезонаторах необходимо, чтобы в системе существовал набор мод, чьи резонансные частоты будут эквидистантны, то есть равноудалены. Именно расстояние между частотами мод определяет расстояние между линиями в гребенке, — объяснила Алена Колесникова.
В ранее известных микрорезонаторах сферической, кольцевой или тороидальной формы расстояние между линиями составляет порядка 10-1000 ГГц. Самые лучшие осциллографы на данный момент позволяют напрямую измерять частоты вплоть до 20 ГГц, то есть без дополнительной обработки сигнала измерить такие частоты просто невозможно.
В цилиндрическом микрорезонаторе с малой вариацией радиуса возможна генерация гребенки с частотой повторения меньше 10 ГГц и с возможностью уменьшить ее до 100 МГц, при этом сохранив микронные размеры платформы. Это стало возможно благодаря тому, что в такой системе есть набор аксиальных мод (моды с пространственным распределением вдоль цилиндра), которые за счет самой геометрии цилиндра имеют маленькое расстояние между резонансными частотами.
— Мы исследовали цилиндрический микрорезонатор с вариацией радиуса на предмет возможности генерации гребенок на наборе аксиальных мод с помощью разработанной модели. Такой микрорезонатор можно сделать на базе стандартного оптического волокна, которое есть в любой лаборатории, где занимаются волоконной оптикой. Для этого достаточно снять пластиковую оболочку с волокна и нагреть его СО2-лазером. В месте нагрева волокно немного разбухнет, то есть возникнет небольшая вариация радиуса. Именно эта вариация радиуса и позволяет получить набор аксиальных мод, так как будет задерживать излучение внутри этой области. До нас такая система уже была исследована на предмет возможности генерации гребенок. Из опыта генерации гребенок в микросферах, кольцах и т.д., считалось, что для того, чтобы сделать гребенку максимально широкой, необходим практически идеально эквидистантный спектр мод. Для аксиальных мод цилиндрического микрорезонатора такое возможно, если сделать параболическую форму вариации радиуса на его поверхности, что на самом деле является нетривиальной экспериментальной задачей и требует хорошего точного алгоритма нагрева волокна СО2 лазером, — рассказала Алена Колесникова.
Ученые лаборатории показали, что на самом деле для генерации гребенки в такой системе может подойти практически любая форма вариации радиуса. При этом ширина гребенки при прочих равных параметрах не будет зависеть от формы. Они промоделировали два случая: микрорезонаторы с параболической формой и прямоугольной формой вариации радиуса, и получили генерацию солитонов, в спектре которые выглядят как оптическая частотная гребенка. При этом характеристики солитонов и гребенок практически совпадают для обоих случаев. Пришли к выводу, что высокая точность изготовления вариации радиуса на поверхности волокна не требуется. Можно взять обычный кусок волокна, сделать на нем пару выемок (то есть прямоугольную форму вариации радиуса), можно даже механическим способом и автоматически получим систему, в которой уже возможна генерация оптической частотной гребенки с низкой частотой повторения.
— Стоит также отметить, что процесс изготовления других типов микрорезонаторов, сферических, тороидальных, кольцевых и т.д., также является сложным и требует высокой точности, в то время как оптическое волокно доступно и является продуктом массового производства. Насколько нам известно, в такой системе еще никто не получал оптических гребенок, — пояснила Алена Колесникова.
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии