Kürzlich entwickelte ein Team aus Professor Dong Chunhua und Zou Changling, Mitglieder der Guo-Guangcan-Universität und Akademiemitglieder der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, einen universellen Dispersionskontrollmechanismus für Mikroresonatoren. Dieser ermöglicht die unabhängige Echtzeitsteuerung der Mittenfrequenz und der Wiederholfrequenz eines optischen Frequenzkamms. Angewendet auf die Präzisionsmessung optischer Wellenlängen, konnte die Messgenauigkeit auf Kilohertz (kHz) gesteigert werden. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.
Soliton-Mikrokämme auf Basis optischer Mikroresonatoren haben in der Präzisionsspektroskopie und bei optischen Uhren großes Forschungsinteresse geweckt. Aufgrund von Umgebungs- und Laserrauschen sowie zusätzlichen nichtlinearen Effekten im Mikroresonator ist die Stabilität der Soliton-Mikrokämme jedoch stark eingeschränkt, was ein wesentliches Hindernis für deren praktische Anwendung bei schwachem Licht darstellt. In früheren Arbeiten stabilisierten und steuerten Wissenschaftler den optischen Frequenzkamm durch die Kontrolle des Brechungsindex des Materials oder der Geometrie des Mikroresonators, um eine Echtzeit-Rückkopplung zu erzielen. Dies führte jedoch zu nahezu gleichmäßigen Änderungen aller Resonanzmoden im Mikroresonator gleichzeitig, ohne die Möglichkeit, Frequenz und Repetitionsrate des Kamms unabhängig zu steuern. Dies schränkt die Anwendung von Schwachlichtkämmen in praktischen Anwendungsbereichen wie Präzisionsspektroskopie, Mikrowellenphotonik und optischer Entfernungsmessung erheblich ein.
Zur Lösung dieses Problems schlug das Forschungsteam einen neuen physikalischen Mechanismus vor, der die unabhängige Echtzeitregelung der Mittenfrequenz und der Wiederholfrequenz des optischen Frequenzkamms ermöglicht. Durch die Einführung zweier unterschiedlicher Dispersionskontrollmethoden für Mikroresonatoren kann das Team die Dispersion verschiedener Ordnungen des Mikroresonators unabhängig steuern und somit die einzelnen Zahnfrequenzen des optischen Frequenzkamms vollständig kontrollieren. Dieser Dispersionsregelungsmechanismus ist universell auf verschiedene integrierte photonische Plattformen wie Siliziumnitrid und Lithiumniobat anwendbar, die bereits umfassend untersucht wurden.
Das Forschungsteam nutzte den Pumplaser und den Hilfslaser, um die räumlichen Moden verschiedener Ordnungen des Mikroresonators unabhängig voneinander zu steuern. Dadurch wurde die adaptive Stabilität der Pumpfrequenz und die unabhängige Regelung der Wiederholfrequenz des Frequenzkamms realisiert. Basierend auf diesem optischen Frequenzkamm demonstrierte das Team die schnelle, programmierbare Regelung beliebiger Kammfrequenzen und wandte diese auf die Präzisionsmessung von Wellenlängen an. So wurde ein Wellenlängenmesser mit einer Messgenauigkeit im Kilohertzbereich und der Fähigkeit zur simultanen Messung mehrerer Wellenlängen entwickelt. Im Vergleich zu früheren Forschungsergebnissen konnte die Messgenauigkeit um drei Größenordnungen verbessert werden.
Die in diesem Forschungsergebnis demonstrierten rekonfigurierbaren Soliton-Mikrokämme bilden die Grundlage für die Realisierung kostengünstiger, chipintegrierter optischer Frequenzstandards, die in der Präzisionsmessung, optischen Uhren, Spektroskopie und Kommunikation Anwendung finden werden.
Veröffentlichungsdatum: 26. September 2023