Российские ученые нашли способ уменьшить мощность лазера, необходимую для запуска оптических параметрических колебаний в микрорезонаторах — маленьких кольцевых чипах. Такие резонаторы востребованы в квантовых технологиях и используются в разработках компактных и энергоэффективных устройств и квантовых компьютеров.
Микрорезонаторы — миниатюрные оптические накопители света в форме кольца на чипе из кремния или другого материала. Это важный элемент в разработках компактных и энергоэффективных оптических приборов. Особенно привлекают внимание резонаторы, которые могут нелинейно преобразовывать излучение.
Коллектив ученых из Российского квантового центра и МФТИ с коллегами из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и МГУ исследовали интегральные кольцевые микрорезонаторы для возбуждения в них вырожденных оптических параметрических колебаний. Это явление оптического взаимодействия излучения с нелинейной системой, в результате которого возникает новая мода излучения на частоте, отличной от частот накачек, с двумя стабильными фазовыми состояниями. Работа опубликована в журнале Physical Review Applied.
Особенностью этой работы стало применение бихроматической накачки — воздействия на резонатор излучением с двумя разными длинами волн. В такой системе если мощность внутри резонатора ниже порогового значения для нелинейной генерации, то в нем возникают неклассические состояния света, если же мощность выше порогового значения, то в нем формируется параметрический сигнал с двумя возможными стабильными фазовыми состояниями или фазовой бистабильностью. Резонаторы с такими свойствами применяются в когерентных машинах Изинга (специальные оптические устройства для сложных вычислений) и генераторах сжатого света, которые широко используются в фотонных и квантовых вычислениях.
Основная проблема при возбуждении сигнальной моды с бистабильной фазой заключается в высоком энергопотреблении. Для генерации таких состояний необходимо достигнуть в микрорезонаторе достаточно высоких значений мощности, что может привести, в свою очередь, к сильному влиянию тепловых эффектов. Чтобы решить эту проблему, авторы изучали условия, которые необходимо выполнить для генерации сигнальной моды с минимальными энергозатратами.
«Наша цель — разработка компактных устройств, которые можно будет применять за пределами лаборатории», — поделилась Надежда Татаринова, аспирант кафедры российского квантового центра в МФТИ.
Исследователи определили условия генерации с помощью аналитической модели, провели численное моделирование с уравнениями связанных мод и изучили влияние дисперсии и асимметрии. Они получили пороговые значения амплитуд накачек для генерации параметрического сигнала. Результаты показали: оптимизируя сдвиг мод и геометрию резонатора, порог мощности можно уменьшить более чем на 50 процентов.
«В микрорезонаторе присутствует много мод, которые могут взаимодействовать между собой. При правильном смещении мод создаются условия для синхронизации (согласования) фаз для вырожденной генерации. Это увеличивает эффективность желаемого процесса и одновременно уменьшает конкурирующие нелинейные взаимодействия, что и снижает пороговую мощность»,— пояснил Валерий Лобанов, ведущий научный сотрудник группы когерентной микрооптики и радиофотоники Российского квантового центра.
Физики провели полноценный многомодовый анализ, учитывающий влияние мультимодовых эффектов на значение пороговой накачки. Кроме того, они предложили специально сдвинуть частоты возбужденных мод с помощью фотонных молекул — связанных резонаторов — для повышения эффективности генерации сигнальной моды с бистабильной фазой. Оказалось, что сдвиг центральной моды снижает порог на 50 процентов. Симметричный сдвиг боковых мод уменьшает порог на 40 процентов.
Этот новый подход дисперсионной инженерии продемонстрировал устойчивость системы к неравенствам в мощности двух накачек до двух процентов. Это в десять раз превышает стандартные требования, обеспечивающие стабильную генерацию. Такое улучшение упрощает настройку лазера и интеграцию в компактные устройства.
«Наши дальнейшие планы включают исследование роли обратной волны в генерации сигнала с двумя стабильными фазовыми состояниями, экспериментальную проверку предсказанных оптимизационных режимов. Также мы планируем изучить режимы затягивания частоты, которые могут дополнительно повысить стабильность и эффективность работы устройства»,— рассказал Дмитрий Чермошенцев, заместитель руководителя научной группы квантовой оптики Российского квантового центра и сотрудник кафедры Российского квантового центра в МФТИ.