Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На втором году выполнения проекта были продолжены теоретические и экспериментальные исследования нелинейных и квантовых процессов в интегральных микрорезонаторах из нитрида кремния. В рамках модели Луджиато-Лефевра изучены области устойчивости платиконов при нормальной дисперсии для широкого диапазона амплитуд накачки. Прослежена эволюция областей устойчивости с ростом амплитуды накачки и выявлен эффект фрагментации области устойчивости при больших амплитудах накачки. Сделан вывод, что большие мощности накачки неблагоприятны для генерации устойчивых платиконов. Показано, что генерация наиболее узких платиконов обеспечивает наибольшую эффективность преобразования энергии накачки в энергию генерируемых спектральных компонент. Впервые продемонстрировано существование устойчивых дрейфующих платиконов. Установлено, что устойчивые дрейфующие платиконы существуют, если амплитуда накачки превышает некоторое пороговое значение. Показано, что такие состояния возникают благодаря вилочной бифуркации нарушения симметрии. Устойчивые дрейфующие платиконы преобразуются в дрейфующие темные бризеры с ростом амплитуды накачки. На основе метода релаксации разработана численная схема, позволяющая рассчитывать временные профили платиконов при наличии обратной волны, учитывающая как линейную связь прямых и обратных волн, так и их нелинейную связь. Также реализована численная схема, позволяющая исследовать полученные решения на устойчивость методом прямого распространения после наложения малых возмущений. Обнаружено, что для случая слабого расщепления мод наличие обратной волны слабо влияет на структуру энергетических уровней и устойчивость платиконов. Численно исследована генерация одиночных платиконов и платиконных кристаллов при двухчастотной накачке. Показано, что количество платиконов определяется интервалом между линиями накачки. Выявлено, что для малых интервалов между линиями накачки существуют оптимальные значения амплитуды накачки, обеспечивающие наибольшую эффективность генерации частотной гребенки. Выявлена зависимость динамики процесса от величины коэффициента дисперсии. Построена модель одновременного затягивания частот двух лазерных диодов на собственные моды микрорезонатора, учитывающая возможность генерации нелинейных сигналов в микрорезонаторе. Выявлено, что режим одновременного затягивания частот диодных лазеров позволяет эффективно генерировать солитонные и платиконные кристаллы, а количество солитонов и платиконов определяется количеством областей свободной дисперсии микрорезонатора, укладывающихся между частотами излучения лазерных диодов. Численно показано, что наличие нелинейного взаимодействия в микрорезонаторе делает лазерные источники взаимосвязанными и существенным образом меняет динамику системы. Разработана теоретическая модель, описывающая процесс двумодового сжатия в активной среде полупроводникового лазерного диода на подавленных модах в процессе затягивания частоты лазера на собственную моду интегрального кольцевого микрорезонатора. Продемонстрировано, что фактор Генри играет ключевую роль в процессе генерации сжатых состояний. Проведены первые численные расчеты системы из двух связанных резонаторов. Разработаны несколько вариантов топологий фотонных чипов со связанными кольцевыми микрорезонаторами с радиусами закругления от 100 до 300 мкм и с ширинами волновода в диапазоне от 1.5 до 3 мкм. Проведена характеризация первой партии чипов, полученных от китайского партнера в конце 2023 года. Было выявлено, что оптимальными параметрами обладают микрорезонаторы с сечением волновода 0.3мкм х 2мкм, а критическая связь для такого микрорезонатора достигается при значении зазора в 850 нм. Нагруженная добротность такой структуры составляет 5.2*10^6. Также на основе полученных экспериментальных данных была проведена верификация используемых численных моделей и разработана первая версия библиотеки элементарных интегральных оптических компонентов, ориентированная на требования фабрики китайского партнера. Разработаны и отправлены китайскому партнеру для изготовления 5 оригинальных топологий фотонных интегральных чипов. Создана экспериментальная установка на основе фотонных чипов из нитрида кремния, предоставленных китайскими партнерами, для генерации платиконных состояний при двухчастотной накачке. Определены оптимальные параметры системы и продемонстрирована генерация платиконных частотных гребенок со следующими характеристиками: двухплатиконное состояние, спектральная ширина частотных гребенок по уровню -20 дБ (относительно максимума) – 100 нм, по уровню -40 дБ – 200 нм; конверсия энергии накачки в спектральные линии частотной гребенки – 20%. Качественно схожие результаты получены для генерации сигнала, состоящего из 4 платиконов. Спектральные профили сгенерированных частотных гребенок качественно совпали с результатами численного моделирования. Показана необходимость учета тепловых эффектов при генерации подобных сигналов. Измерено значение эффективной тепловой нелинейности в используемых фотонных чипах и показано, что оно существенно превосходит уровень керровской нелинейности. Собрана экспериментальная установка для реализации одновременного затягивания двух лазерных диодов с распределенной обратной связью на соседние моды одного интегрального микрорезонатора с областью свободной дисперсии менее 15 ГГц. Получен радиочастотный сигнал в результате биений выходного излучения диодов на частоте 14.81 ГГц. Измерена ширина полученного сигнала биений, результаты аппроксимированы распределением Фойгта, лоренцева компонента составила 0.59 кГц, гауссова компонента 0.03 Гц. Показано, что шумовые характеристики полученного радиочастотного сигнала соответствуют шумовым характеристикам худшего из затянутых по отдельности диодов. Предложен метод увеличения мощности генерируемого радиочастотного сигнала. Проанализировано влияние обратной волны, неизбежной в реальных структурах, на динамику и эффективность процесса генерации сжатых состояний света в микрорезонаторах из нитрида кремния при двухчастотной накачке. Показано, что с ростом уровня обратной волны порог генерации сжатого состояния увеличивается и наибольшее влияние оказывает обратная волна на сигнальной частоте. Отсюда следует, что расщепление сигнальной моды должно быть минимальным. В рамках модели без учета обратной волны показана возможность уменьшения порога генерации сжатых состояний путем задания определенных законов дисперсии, заключающихся в сдвигах соответствующих мод резонатора. Экспериментально исследовано влияние дисперсионных характеристик микрорезонаторов из нитрида кремния на процесс генерации солитонных состояний и вероятность достижения различных солитонных состояний.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде детально исследован новый метод генерации импульсных сигналов в фотонно-кристаллических микрорезонаторах с нормальной дисперсией, основанный на накачке не расщепленной моды, а соседних с ней мод. Показано, что если мощность накачки и величина расщепления мод превышают некое пороговое значение, то в прямой волне можно возбудить или одиночный широкий импульс треугольной формы или периодическую последовательность таких импульсов. Найдены условия генерации: необходимая величина расщепления мод возрастает с увеличением интервала между расщепленной и накачиваемой модами, амплитуды накачки и абсолютной величины дисперсии групповых скоростей. Показано, что для одинаковых параметров ширина спектра треугольных импульсов меньше, чем ширина спектра платиконов, однако, эффективность преобразования накачки в гребенку при этом существенно выше, а порог генерации более чем в 2.7 раза меньше. Также выявлены новые особенности процесса генерации платиконов при накачке расщепленной моды: впервые показана возможность переключения направления распространения платикона. Показано, что двухчастотная накачка микрорезонатора приводит к появлению широкого спектра нелинейных состояний, а фаза затягивания лазерных диодов является ключевым параметром, определяющим тип возникающих импульсов. Наиболее устойчивые режимы наблюдаются в симметричном случае, когда фазы лазеров совпадают. Определены интервалы фаз, при которых формируются солитоны и платиконы, и выявлены условия переключения между различными режимами генерации. Установлено, что расщепление мод микрорезонатора усиливает стабилизацию затягивания, однако при больших значениях приводит к усложнению структуры зон захвата частоты. Теоретически рассмотрен режим усиления света в полупроводниковой среде для генерации света в сжатом квантовом состоянии. Расчёт выявил сжатие квантовых флуктуаций боковых мод. Показано, что оптимальное сжатие достигается при интенсивности основной волны, равной 1–2 интенсивности насыщения усилителя, и происходит в диапазоне расщепления частот, сопоставимом с обратным временем жизни носителей заряда (наносекунды). Значительное влияние на режим сжатия имеет фактор Генри полупроводниковой среды. Достижимые степени сжатия составляют 5-10 дБ. Численно исследована возможность использования фотонно-кристаллических микрорезонаторов для уменьшения порога генерации сжатого состояния света в интегральном микрорезонаторе при двухчастотной накачке за счет сдвига определенных мод микрорезонатора. Сдвиг появляется при расщеплении соответствующих мод. Изучен метод, основанный на расщеплении центральной моды. Показано, что наличие такого расщепления приводит к увеличению порога генерации. Также исследован подход, основанный на расщеплении двух мод, расположенных по обе стороны от линий накачки на расстоянии, равном интервалу между линиями накачки. Показано, что это позволяет значительно (более чем в 1.5 раза) уменьшить пороговую мощность. Дополнительно можно понизить порог генерации, используя структуры с расщеплением, не двух, а четырех мод. Проведена глубокая модернизация стенда для характеризации фотонных интегральных схем (ФИС). На модернизированном стенде исследованы чипы из нитрида кремния, произведенные китайским партнером. Проведена оптическая характеризация микрорезонаторов и определены типичные значения основных параметров: собственная добротность микрорезонаторов 3.8 млн, оптические потери в волноводах 0.08 дБ/см, критическому уровню связи с микрорезонатором соответствует зазор 750-800 нм, максимальный уровень нагрева волновода микрорезонатора 50 градусов. На основе полученных результатов были скорректированы численные модели и обновлена библиотека интегральных компонентов. Проведено экспериментальное исследование различных подходов к созданию радиофотонного генератора микроволновой частот, а именно одновременное затягивание диодных лазеров на одно семейство мод микрорезонатора и семейство мод различных поляризаций. Для лазеров, затянутых на моды различных поляризаций, показан меньший уровень фазовых шумов. Также продемонстрирована возможность перестройки частоты сигнала биений мод различной поляризации от 20.9 до 21.5 ГГц при изменении температуры чипа. Проведено экспериментальное исследование генерации платиконных частотных гребенок при использовании двухчастотной накачки, как в одном, так и в двух микрорезонаторах с межмодовым интервалом (ОСД) 450 ГГц на фотонном чипе, изготовленном китайским партнером, и выявлены основные закономерности этого процесса. Достигнуты устойчивые режимы генерации, отвечающие генерации частотных гребенок со спектральным интервалом 1 и 2 ОСД в двух микрорезонаторах одновременно. Для частотных гребенок со спектральным интервалом 1 ОСД (450 ГГц) спектральная ширина составила >200 нм по уровню -20 дБ; величина конверсии энергии накачки в частотную гребенку 17%. Для гребенок с интервалом 2 ОСД (900 ГГц) спектральная ширина – 100 нм по уровню -20 дБ, величина конверсии – 15%. Найден режим многочастотной генерации одночастотного лазера с распределенной обратной связью в режиме затягивания (режим многочастотного затягивания). Показано, что возникающие спектральные компоненты могут инициировать генерацию платиконов с низким уровнем фазового шума в сигнале биений, при этом платиконы возбуждаются одновременно на нескольких частотах. Этот режим назван генерацией мульти-гребенок. При сокращении частотного интервала между гребенками от разных компонент накачки фазовый шум сигнала биений ухудшается. Эффективность конверсии энергии для таких мульти-гребенок выше, чем для обычных, возрастая с 7% до 35%. При генерации платиконов в режиме затягивания частоты обнаружен эффект переключения числа темных импульсов с дискретными шагами. Найдены точки, в которых конверсия амплитудных флуктуаций в фазовые минимальна. Продемонстрирована генерация биений платикона на частоте 10.7 ГГц с фазовыми шумами -105 дБн/Гц на отстройке 10 кГц. Построена численная модель, полностью описывающая данный эффект. Впервые продемонстрирована генерация cтоксовской гребенки в интегральных резонаторах из нитрида кремния с нормальной дисперсией групповых скоростей. Показано возникновение нескольких мощных линий, отстроенных в красную сторону от длины волны накачки примерно на 10 ТГц. Генерация может быть осуществлена непрерывным сканированием частоты лазера накачки с изолятором; требуемая мощность накачки составляет порядка 40 мВт в волноводе для резонатора с ОСД 150 ГГц, критической связью и добротностью порядка 10 миллионов.