КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-12-01413

НазваниеНовые методы генерации широкополосных когерентных оптических частотных гребенок в микрорезонаторах

РуководительЛобанов Валерий Евгеньевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионОбщество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий", Московская обл

Года выполнения при поддержке РНФ2017 - 2019

КонкурсКонкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые словаОптические микрорезонаторы, керровские гребенки, солитоны, дисперсионная волна.

Код ГРНТИ29.31.00, 29.33.25, 29.35.03


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Использование оптических частотных гребенок, отмеченных в 2005 году Нобелевской премией, позволяет существенно повысить точность метрологических и спектральных измерений и связать оптические частоты с СВЧ стандартами. В частности, изобретение классических частотных гребенок в конце 20-го века позволило сразу на 5 порядков поднять точность определения постоянной Ридберга и произвело революцию в оптических измерениях частоты. Открытые в 2007 году керровские частотные гребенки, генерируемые в высокодобротных оптических микрорезонаторах, позволяют существенно уменьшить размеры и энергопотребление таких измерительных систем и создавать новые типы приборов с беспрецедентными характеристиками (разрешение, быстродействие, компактность, энергопотребление). В рамках проекта будет проведено аналитическое, численное и экспериментальное исследование новых методов генерации частотных гребенок и солитонов в оптических микрорезонаторах и связанных с этим эффектов. В ходе выполнения проекта будут разработаны новые подходы к уже известным явлениям, связанным с генерацией оптических гребенок и солитонов, продемонстрированы и детально изучены новые эффекты, проявляющиеся в новых типах микрорезонаторов с новыми свойствами или с оригинальной геометрией. В частности, генерация оптических гребенок будет исследована теоретически и экспериментально в режиме затягивания частоты лазерного генератора модой высокодобротного оптического микрорезонатора. Такой подход позволит генерировать высокостабильные гребенки с помощью дешевых коммерческих лазерных диодов. Генерация оптических гребенок будет изучена в новых типах микрорезонаторов, в том числе в кольцевых, цилиндрических, тороидальных, бутылкообразных и сферических, где генерация широкого спектра может происходить в том числе благодаря поляритонным и квадратичным типам нелинейностей. Будут рассчитаны новые геометрии поперечного сечения микрорезонаторов, обеспечивающие оптимальные дисперсионные характеристики для генерации широкополосных (октавных) оптических гребенок. Такие микрорезонаторы будут изготовлены на уникальном прецизионном станке алмазного точения и использованы для эксперимента по генерации широкополосных гребенок. Будет разработана оригинальная теория, учитывающая влияние эффектов рамановского и бриллюэновского рассеяния на процесс генерации частотных гребенок в кристаллических микрорезонаторах. Эти эффекты будут наблюдаться в экспериментах (в микрорезонаторах, изготовленных из кристаллических фторидов: кальция, бария, магния, стронция) и результаты экспериментов будут сопоставляться с разработанной теорией. Особое внимание будет уделено разработке методов генерации частотных гребенок в микрорезонаторах с квадратичной нелинейностью, потенциально применимых для генерации гребенок с полосой, превышающей октаву, необходимых для прецизионных измерений. Будут предложены оригинальные методы получения фазового синхронизма, проведено численное моделирование процессов генерации частотных гребенок и солитонов при наличии только квадратичной нелинейности или квадратичной и кубичной нелинейностей, а также описаны свойства таких гребенок и солитонов. Эксперименты по генерации частотных гребенок на квадратичной нелинейности будут проводиться в специально изготовленных микрорезонаторах из ниобата и танталата лития и, возможно, других материалов. Планируется теоретическое и экспериментальное исследование новых методов генерации солитонов на различных частотах в одном микрорезонаторе и изучение динамики взаимодействия таких солитонов. Эта задача важна как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Ее решение позволит создать компактные приборы для многих актуальных приложений, в том числе спектроскопии с использованием нескольких частотных гребенок. Будут также изучены частотные гребенки и методы их возбуждения, связанные с различными типами тёмных, ярких и многокомпонентных солитонов на модах шепчущей галереи, которые характеризуются одним или двумя квантовыми числами. Таким образом будут заложены основы физики многомерных эффектов в генерации частотных гребёнок.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет получен ряд принципиально новых результатов мирового уровня, представляющих интерес как для фундаментальной науки, так и для практических применений: 1. Будет разработана аналитическая теория и реализована экспериментально генерация частотных гребенок и солитонов в режиме затягивания частоты лазера накачки высокодобротным оптическим микрорезонатором. В дальнейшем это позволит генерировать высокостабильные гребенки и, например, так называемые, платиконы с помощью коммерческих, дешевых лазерных диодов. 2. Будет разработана геометрия кристаллического микрорезонатора, обеспечивающая оптимальные условия для генерации широкополосной частотной гребенки, изготовлен такой микрорезонатор и экспериментально реализована генерация широкополосной частотной гребенки. Также будут получены принципиально новые результаты по генерации солитонов в новых типах микрорезонаторов, в том числе цилиндрических, бутылкообразных и сферических. Будут впервые продемонстрированы двумерные эффекты в условиях периодичности сигнала по обеим степеням свободы и будут заложены основы физики многомерных эффектов при генерации частотных гребёнок. 3. Впервые будeт созданы модель и теория генерации частотных гребенок в представляющих несомненный интерес кольцевых поляритонных резонаторах и в поляритонных лазерах. Микрорезонаторные поляритонные гребенки обещают стать очередным важным шагом в разработке компонентов для такого перспективного направления как поляритонная фотоника. 4. Будут созданы оригинальные модели, позволяющие описать процесс генерации частотных гребенок в кристаллических микрорезонаторах с учетом рамановского и бриллюэновского рассеяния. Генерация частотных гребенок, сопровождаемая эффектами рамановского и/или бриллюэновского рассеяния, будет продемонстрирована в кристаллических микрорезонаторах, и будет проведено сравнение результатов с разработанной теорией. В дальнейшем учет этих эффектов может облегчить генерацию частотных гребенок в новых частотных диапазонах, например, характеризуемых нормальной дисперсией групповых скоростей. 5. Будут разработаны методики и проведены эксперименты по генерации широкополосных гребенок в микрорезонаторах с квадратичной нелинейностью. Будет теоретически и экспериментально исследован вопрос достижения фазового синхронизма для различных гармоник и мод микрорезонатора, изучен вопрос влияния условия фазового синхронизма, выполненного или частично нарушенного, на процесс генерации гребенок. Октавные гребенки, возможность генерации которых будет исследована, представляют огромный интерес для прецизионных измерений оптической частоты. Также будет разработана теория частотных гребенок при наличии квадратичной или квадратичной и кубичной нелинейностей. 6. Будут получены принципиально новые теоретические и экспериментальные результаты по генерации солитонов на различных частотах в кристаллических микрорезонаторах. Возможность генерации солитонов на различных несущих частотах в одном микрорезонаторе позволит создать компактные приборы для многих актуальных приложений, в том числе спектроскопии с использованием нескольких частотных гребенок. 7. Будет создана оригинальная аналитическая теория параметрических неустойчивостей в кольцевых микрорезонаторах при резонансном взаимодействии гребенки солитонов с дисперсионным излучением. При подходящих условиях микрорезонаторы могут превратить процесс взаимодействия между солитонами и дисперсионными волнами в параметрическую генерацию нового рода, что может приводить к эффективному изменению формы спектра гребенки. Все полученные результаты будут опубликованы в высокорейтинговых рецензируемых журналах и представлены на престижных международных и всероссийских конференциях.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Научный коллектив под руководством профессора М.Л.Городецкого в Российском квантовом центре (OOO МЦКТ) в 2017 году проводил исследования по гранту РНФ “Новые методы генерации широкополосных когерентных оптических частотных гребенок в микрорезонаторах”. Классические частотные гребенки, отмеченные Нобелевской премией 2005 года (Т.Хэнш и Дж.Холл) произвели революцию в прецизионных оптических измерениях, но остаются уделом обеспеченных физических лабораторий. Микрорезонаторные когерентные керровские гребенки сочетают сверхкомпактность и энергоэффективность и открывают широкие возможности выхода этой технологии на практические применения. Научная группа профессора Городецкого занимает лидирующие позиции в мире в этой области. 1) Несмотря на компактность самих микрорезонаторов, в которых возможна генерация гребенки, для их накачки требуются одночастотные лазеры с узкой линией генерации, которые обычно представляют собой гораздо более громоздкие устройства. Однако еще в 1990 годы на физическом факультете МГУ было предложено использовать для активного сужения линии генерации диодных лазеров те же самые оптические микрорезонаторы с модами шепчущей галереи и эффект затягивания частоты с использованием резонансно рассеянной в микрорезонаторе волны. Сейчас такие компактные лазеры с шириной линии менее 1 кГц уже коммерчески доступны (компания OEwaves, США). Сочетание затягивания линии лазера с последующей генерацией керровских гребенок открывает перспективы создания интегрированных устройств нового поколения. В рамках запланированных на 2017 год исследований проводилось теоретическое, численное и экспериментальное исследование эффекта сужения полосы излучения лазера за счет затягивания внешним микрорезонатором. В радиофизике известно, что если к одноконтурному генератору подключается резонансная нагрузка с близкой резонансной частотой и добротностью выше, чем у генератора, то результирующая частота генерации будет стабильней и будет в основном определяться именно частотой внешнего резонансного контура. Коэффициент стабилизации при этом может составлять много порядков. В рассматриваемом случае основным контуром являлся резонатор лазера, имеющий добротность порядка 10^3-10^4, а стабилизирующим контуром – высокодобротный кристаллический микрорезонатор с добротностью, превышающей 10^8. Связь лазерного резонатора с микрорезонатором происходит за счет резонансного обратного рэлеевского рассеяния лазерного излучения в микрорезонаторе. Была впервые построена аналитическая теория, описывающая эффект затягивания частоты лазера за счет обратного рассеяния в микрорезонаторе, которая позволила описать основные режимы стабилизации и получить выражения для коэффициента стабилизации и ширины области затягивания. Полученные выражения были проверены экспериментально в схеме, состоящей из лазерного диода с распределенной обратной связью на длине волны 1.55 мкм, возбуждающего резонатор из фторида магния с добротность 10^9. Полученные аналитические оценки для ширины полосы затягивания и ширины линии генерации с хорошей точностью совпали с экспериментальными данными. Полученные результаты опубликованы в журнале Optics Express. В ходе выполнения проекта впервые продемонстрирована экспериментально генерация солитонных гребенок в микрорезонаторе из фторида магния в режиме затягивания при накачке микрорезонатора простым лазерным диодом (мощность ~100-300 мВт) имеющим множество продольных мод в полосе генерации ~10 нм. За счет оптической обратной связи с использованием микрорезонатора и возникающего эффекта затягивания было показано сужение спектра лазерного диода и стабилизация частоты генерации на частоте моды микрорезонатора. За счет механизма конкуренции продольных мод в условиях оптической обратной связи до 50% мощности лазерного диода преобразуется в одну узкую линию излучения ~1кГц. В ходе работы было показано, что использование диодов с множеством продольных мод для генерации частотных гребенок позволяет достичь стабильных режимов. Высокая мощность лазера на частоте моды резонатора позволяет эффективно сгенерировать солитонную гребенку с использованием компактного лазерного диода. При этом в отличие от РОС диодов многочастотные диоды имеют при той же цене на порядок большую мощность и эффективность. В результате проведенных экспериментов впервые были получены керровские гребенки при накачке компактным лазерным диодом с широким спектром на длинах волн 1550 нм и 1650 нм. Ширина оптического спектра гребенки составила 20-30 нм, при этом наблюдался чистые малошумящие биения на частоте, равной межмодовому расстоянию (или ОСД) микрорезонатора, с шириной меньше 1кГц. Результаты докладывались на международных конференциях CLEO/Europe (Muenchen, Germany), ICTON (Girona, Spain), PIERS (Singapore) и готовятся к публикации. 2) Проведенные исследования показали, что основным параметром, определяющим эффективность генерации гребёнки, её форму и спектральную ширину является модовая дисперсия, т.е. зависимость частоты моды от её постоянной распространения (азимутального числа в данном случае). Эта величина определяется материалом (материальная дисперсия) и формой резонатора (геометрическая дисперсия). Ранее было показано, что, управляя формой поперечного сечения микрорезонатора, можно сократить количество семейств мод, а также было показано существенное улучшение и расширение спектра гребёнки. В ходе исследований были сформулированы критерии оптимальной дисперсионной зависимости и поставлена задача определения оптимальной формы резонатора для её достижения. Для решения этой задачи разработана полуаналитическая теория, позволяющая рассчитать дисперсию сфероидальных резонаторов для проведения последующей численной оптимизации. Для исследования более сложных форм написана программа в среде Comsol, использующая метод конечных элементов для численного расчёта дисперсии микрорезонатора. Данный подход позволяет провести оптимизацию формы резонатора. Был проведён перебор простейших форм резонаторов и показано, что трапециевидная форма сечения, которая может быть воспроизведена на имеющемся в группе станке алмазного точения, позволяет достичь хороших результатов. 3) В ходе выполнения проекта была разработана теоретическая модель генерации керровских частотных гребенок в полосе рамановского рассеяния. Формализм уравнений связанных мод, ранее успешно использовавшийся для моделирования процесса генерации и динамики керровских частотных гребенок и диссипативных солитонов, был расширен для учёта рамановского рассеяния путем введения слагаемого, отвечающего за взаимодействие оптического поля с локальным молекулярным осциллятором и добавление соответствующей зависимости к диэлектрической восприимчивости. Предложенная модель кроме более адекватного описания взаимодействия эффектов Рамана и Керра является чрезвычайно удобной для описания процесса генерации оптической частотной гребенки в микрорезонаторах со сложным законом дисперсии или небольшим числом участвующих мод. На основе предложенной модели было проведено численное моделирование процесса генерации оптических частотных гребенок в полосе нормальной дисперсии микрорезонатора с учетом эффекта рамановского рассеяния. Была впервые изучена возможность генерации солитоноподобных импульсов в режиме нормальной дисперсии, платиконов, ранее открытых исполнителями, и впервые исследована динамика подобных структур в полосе рамановского рассеяния. Было показано, что комбинационное рассеяние оказывает сильное влияние на динамику их распространения. Если величина рамановского усиления превышает некое критическое значение, то узкие платиконы становятся неустойчивыми, а широкие платиконы трансформируются в сложные хаотические комплексные структуры без четкого порога потери стабильности. Кроме практического важного исследования возможности расширения спектрального диапазона покрытия оптических частотных гребенок, этот результат представляет собой важную область фундаментальных исследований, связанных с физикой сложных нелинейных структур. Результаты опубликованы в журнале Optics Express. В экспериментальных исследованиях наблюдались рамановские гребенки на 1630 нм шириной 10 нм в микрорезонаторах из BaF2 при накачке лазером на 1550 нм. Также наблюдались линии около частоты накачки 1550 нм. Оптическая гребенка находилась не в когерентном состоянии, наблюдалось множество сигналов биений на разных частота 0-15 ГГц. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами численного моделирования. Результаты докладывались на конференции ФЭКС-2017 в Светлогорске. 4) В ходе выполнения проекта было теоретически предсказано, что при условиях типичных для недавно опубликованных экспериментов по генерации частотных гребенок со спектральной шириной превышающей оптическую октаву, спектральное расстояние между зубцами гребенки переходит в режим самозахвата, т.е. становится независимым от частоты накачки и, соответственно, воздействие шумов накачки на эту важнейшую характеристику гребенки становится минимальным по сравнению с режимом, когда самозахват отсутствует. Причиной самозахвата является создание дисперсионным излучением ловушки для солитонного импульса, который и формирует гребенку в спектральном представлении. Переход между двумя режимами контролируется соотношением между длиной резонатора и длиной затухания дисперсионного излучения. Этот эффект был проиллюстрирован с помощью численного моделирования. 5) Начата разработка теории генерации частотных гребенок в резонаторах, где два пространственных измерения играют важную роль. В качестве примера такого резонатора предложено использовать бутылкообразные микрорезонаторы. На данном этапе развивалась аналитической теория в рамках модели Луджиато-Лефевера и были изучены свойства одномерного предела, которые необходимы для перехода к двумерной геометрии. Были проведены расчеты условий бистабильности и неустойчивостей, которые в дальнейшем будут обобщены на двумерный случай.

 

Публикации

1. Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Черенков А.В., Волошин А.С., Павлов Н.Г., Коптяев С., Городецкий М.Л. Self-injection locking of a laser diode to a high-Q WGM microresonator Optics Express, Том 25, выпуск 23, стр. 28167-28178. (год публикации - 2017).

2. Павлов Н.Г., Лихачев Г., Коптяев С., Волошин А.С., Городецкий М.Л. Kerr soliton combs in crystalline microresonators with a regular multifrequency diode lasers Book of Abstracts of International Conference “Advanced Laser Technologies” (ALT'17), 10-15 September 2017, Busan, Korea, Доклад WB-I-4 (год публикации - 2017).

3. Павлов Н.Г., Лихачев Г., Коптяев С., Волошин А.С., Остапченко А.Д., Городницкий А.С., Городецкий М.Л. Kerr soliton combs in crystalline microresonators pumped by regular multifrequency diode lasers Proceedings of International Conference on Transparent Optical Networks, ICTON 2017; Girona, Catalonia; Spain; 2 July 2017 - 6 July 2017, Доклад Th.A4.3. (год публикации - 2017).

4. Черенков А.В., Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Городецкий М.Л. Self-injection Locking of Laser Diode to an Optical Microresonator Abstracts of PIERS 2017 Singapore, 19-22 November 2017, Стр. 467. (год публикации - 2017).

5. Черенков А.В., Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Шитиков А.Е., Скрябин Д.В., Городецкий М.Л. Raman-Kerr frequency combs in microresonators with normal dispersion Optics Express, Том 25, выпуск 25, стр. 31148-31158 (год публикации - 2017).

6. Шитиков А.Е., Лобанов В.Е., Павлов Н.Г., Волошин А.С., Биленко И.А., Городецкий М.Л. Nonlinear properties of high-Q optical microresonators in normal dispersion range EPJ Web of Conferences, Том 161, доклад 02025 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
аучный коллектив под руководством профессора М.Л.Городецкого в Российском квантовом центре (OOO МЦКТ) в 2018 году продолжил исследования по гранту РНФ “Новые методы генерации широкополосных когерентных оптических частотных гребенок в микрорезонаторах”. 1) В ходе выполнения проекта была разработана модель, описывающей генерацию частотных гребенок в режиме затягивания лазера накачки на нелинейный резонатор, и начато численное моделирование процессов генерации солитонов и платиконов. Также разработана оригинальная теоретическая модель, позволяющая описать явление затягивания многочастотного лазера высокодобротным оптическим микрорезонатором. Численно показана возможность преобразования с помощью оптического микрорезонатора спектра излучения многочастотного лазера в эффективно одночастотный с сохранением полной мощности, а также в многочастотный с малым числом линий. Найдено пороговое значение уровня обратной связи, при котором происходит эффективная трансформация многочастотного спектра. Показано, что в случае затягивания многочастотного лазера ярко проявляется эффект Богатова, приводящий к характерному профилю спектра затянутого лазера. Разработана оригинальная схема эксперимента, позволяющая детально изучить процесс затягивания многочастотного лазера и различные режимы его работы. Продемонстрирована трансформация спектра многогочастотного лазера в одночастотный, а также одновременную генерацию на нескольких частотах. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами численного моделирования. Также Спроектирована установка для изучения возможности одновременного затягивания большого числа линий в спектре лазера при условии равенства межмодовых расстояний микрорезонатора и лазера и проведены первые эксперименты. Создана установка для генерации частотных гребенок в области нормальной дисперсии групповых скоростей (на длине волны накачки 780 нм). В ходе экспериментов наблюдались платиконоподобные спектры керровских частотных гребенок. По результатам исследований опубликованы статьи в журналах Optics Express и Nature Photonics. 2) Разработана оригинальная теоретическая теоретическая модель, описывающая совместное влияния эффектов Керра и бриллюэновского рассеяния на процесс генерации оптических частотных гребенок. Предложена методика, позволяющая ускорить численное моделирование рассматриваемых процессов. Численно показано, что в полосе бриллюэновского рассеяния при нормальной дисперсии микрорезонатора эффективная генерация каскадных линий бриллюэновского рассеяния возможна только при точном согласовании межмодового расстояния микрорезонатора с частотой бриллюэновского рассеяния. В случае отсутствия подобного согласования генерация возможна лишь на нефундаментальном семействе мод микрорезонатора с меньшей эффективностью. Для верификации предложенной модели проведен эксперимент по генерации частотных гребенок в микрорезонаторе из BaF2 c диаметром d=3.9 мм, (межмодовое расстояние 16,689 ГГц), длина волны непрерывного лазера накачки 1550 нм, ширина линии нагруженного резонанса составила 500 кГц. В прямой и обратной волне наблюдалась генерация каскадных линий вынужденного бриллюэновского рассеяния, разнесенных друг относительно друга на одно межмодовое расстояние. Также разработана теоретическая модель, позволяющая учитывать эффекты взаимодействия упругого и неупругого рассеяний в оптических микрорезонаторах, в том числе взаимодействия прямой и обратной волны, эффектов Керра и Рамана. Численно показано, что линейная связь прямой и обратной волны может приводить к модуляционной неустойчивости и, следовательно, к генерации частотных гребенок в режиме нормальной дисперсии. Также было обнаружено, что в области аномальной дисперсии взаимодействие волн, распространяющихся в противоположном направлении, может приводить к дрейфу солитонов и, тем самым, либо компенсировать, либо усиливать эффект дрейфа, появляющийся из-за дисперсии третьего порядка, либо из рамановского рассеяния. 3) Создан модернизированный программный пакет для расчета оптимальной формы микрорезонатора и верификации результатов оптимизации формы. Рассчитаны профили микрорезонаторов, оптимальные для генерации широкополосных гребенок. Показано, что при изготовлении микрорезонаторов методом алмазного точения требуется дополнительная полировка, что ограничивает возможности этого метода по созданию микрорезонаторов с оптимальной формой. Предложено изучить возможность создания микрорезонаторов с помощью мощных фемтосекундных лазеров. 4) Разработана и проанализирована система уравнений связанных мод с учётом нелинейности второго порядка для моделирования нелинейной генерации в микрорезонаторе. Подготовлена модель для расчета фазового синхронизма в микрорезонаторе с квадратичной нелинейностью. Выдвинуто предположение о механизме генерации частотных гребенок в квадратично-нелинейных микрорезонаторах за счет влияния эффективной кубичной нелинейности, появляющейся в результате несинхронных (то есть идущих без выполнения условия фазового синхронизма) параметрических процессов. Начата разработка эффективных численных схем для моделирования нелинейных процессов в квадратично-нелинейных микрорезонаторах, в том числе и с учетом периодической модуляции нелинейности. Для проведения экспериментальных исследований разработана методика изготовления микрорезонаторов из квадратично-нелинейных материалов, таких как ниобат лития (LiNbO3) и танталат лития (LiTaO3). Изготовлены микрорезонаторы из ниобата лития с добротностью ~2*10^8, а также из танталата лития с добротностью ~7*10^7 с различными профилями. Проведено исследование настройки оптимальной связи с такими микрорезонаторами. Разработан и реализован проект экспериментальной установки для возбуждения мод шепчущей галереи в квадратично-нелинейных оптических кристаллах для различных длин волн (1550 нм, 780 нм). Эффективность связи составила порядка 40%. Показана эффективность метода электрооптической перестройки с помощью эффекта Поккельса. 5) Разработана методика и экспериментально продемонстрирована одновременная генерация стабильных солитонных состояний в различных пространственных модах одного кристаллического микрорезонатора с модами шепчущей галереи. Показана генерация двух солитонов, распространяющихся в одном направлении, и двух солитонов, распространяющихся в противоположных направлениях. Также продемонстрирована одновременное возбуждение трех солитонов на различных семействах мод, два из которых распространяются в одну сторону, а третий – в противоположную. Показано, что результирующие керровские оптические частотные гребенки взаимно когерентны, имеют различные частоты повторения и подходят для применений в схемах двойной или тройной оптической гребенки. Продемонстрирована возможность применения генерируемых сигналов для задач спектроскопии. 6) Построена аналитическая модель, представляющая собой двумерное обобщение модели Луджиато-Лефевра, корректно описывающая процесс генерации двумерных частотных гребенок и формирование двумерных диссипативных солитонных структур в оптических микрорезонаторах. Исследованы различные режимы эволюции излучения и найдены оптимальные условия для возбуждения устойчивых двумерных солитонов с регулярными спектрами в двумерных микрорезонаторах бутылочного типа с учетом типа структуры мод резонатора как в поперечном, так и в азимутальном направлениях. Найден ряд двумерных диссипативных солитонов, локализованных как в азимутальном, так и в поперечном направлениях. Найдены области устойчивости по частоте накачки таких солитонов. Показано, что вне областей устойчивости наблюдается либо их затухание, либо хаотические осцилляции амплитуды поля с последовательностью квази-коллапсов, или формирование устойчивых бризеров. Показано, что структура возбуждаемых солитонов существенно зависит от положения центра накачки в поперечном направлении. Полученные результаты опубликованы в журнале Optics Letters.

 

Публикации

1. - На основе лазера из указки можно сделать оптическую гребенку https://indicator.ru/, 29 октября 2018 (год публикации - ).

2. - Российские физики придумали, как лазерную указку превратить в карманный химический анализатор https://mipt.ru/newsblog/, 30 октября 2018 (год публикации - ).

3. Галиев Р.Р., Кондратьев Н.М., Павлов Н.Г., Лобанов В.Е., Городетский М.Л. Bogatov effect in self-injection locked multimode diode laser: Theory and experiment Proceedings - International Conference Laser Optics 2018, ICLO 2018., Стр.155. (год публикации - 2018).

4. Галиев Р.Р., Кондратьев Н.М., Павлов Н.Г., Лобанов В.Е., Городецкий М.Л. Затягивание частоты многочастного лазерного диода модой высокодобротного микрорезонатора Труды XVI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах» имени А.П. Сухорукова («Волны-2018»)., Секция “Когерентная и нелинейная оптика”. С. 26-29. (год публикации - 2018).

5. Галиев Р.Р., Павлов Н.Г., Кондратьев Н.М., Коптяев С., Лобанов В.Е., Волошин А.С., Городницкий А.С., Городецкий М.Л. Spectrum collapse, narrow linewidth, and Bogatov effect in diode lasers locked to high-Q optical microresonators Optics Express, Том. 26. Выпуск 23. Стр. 30509-30522. (год публикации - 2018).

6. Городецкий М.Л. Optical Microcombs Book of Abstracts of International Conference on Nanophotonics, Metamaterials and Photovoltaics ICNMP-2018, Santiago de Cuba, Cuba, 28 января - 3 февраля 2018, Стр. 28 (год публикации - 2018).

7. Карташов Я.В., Городецкий М.Л., Кудлинский А., Скрябин Д.В. Two-dimensional nonlinear modes and frequency combs in bottle microresonators Optics Letters, Том 43. Выпуск 11. Стр. 2680-2683. (год публикации - 2018).

8. Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Галиев Р.Р., Павлов Н.Г., Городецкий М.Л. Numerical modelling of WGM microresonator Kerr frequency combs in self-injection locking regime Book of abstracts of Advanced Laser Technologies 2018, Tarragona, Spain, NL-O-2. (год публикации - 2018).

9. Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Черенков А.В., Волошин А.С., Павлов Н.Г., Городецкий М.Л. Теория затягивания лазерного диода микрорезонатором с модами шепчущей галереи Труды XVI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах» имени А.П. Сухорукова («Волны-2018»)., Секция “Когерентная и нелинейная оптика”. С. 41-44. (год публикации - 2018).

10. Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Черенков А.В., Волошин А.С., Павлов Н.Г., Городецкий М.Л. Theory of self-injection locking of a laser diode to a whispering gallery mode microresonator Proceedings - International Conference Laser Optics 2018, ICLO 2018., Стр. 146. (год публикации - 2018).

11. Павлов Н.Г., Коптяев С., Галиев Р.Р., Лихачев Г.В., Кондратьев Н.М., Городницкий А.С., Волошин А.С., Городецкий М.Л. Kerr soliton combs in crystalline microresonator with a regular multi-frequency diode lasers Advanced Photonics 2018 (BGPP, IPR, NP, NOMA, Sensors, Networks, SPPCom, SOF), OSA Technical Digest. Zurich, Switzerland, 2–5 July 2018., Paper SeTu3H.1. (год публикации - 2018).

12. Павлов Н.Г., Коптяев С., Лихачев Г.В., Волошин А.С., Городницкий А.С., Рябко М.В., Полонский С.В., Городецкий М.Л. Narrow-linewidth lasing and soliton Kerr microcombs with ordinary laser diodes Nature Photonics, Том 12. Выпуск 11. Стр. 694. (год публикации - 2018).

13. Павлов Н.Г., Коптяев С., Лихачев Г.В., Городницкий А.С., Волошин А.С., Городецкий М.Л. Generation of soliton combs with multi-frequency diode laser self-injection locked to a microresonator. Proceedings - International Conference Laser Optics 2018, ICLO 2018., Стр. 440. (год публикации - 2018).

14. Павлов Н.Г., Лихачев Г.В., Волошин А.С., Коптяев С., Городецкий М.Л. Narrow-linewidth Lasing and Kerr Soliton Comb with a Regular Laser Diode CLEO Pacific Rim Conference 2018, Hong Kong China 29 July–3 August 2018, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2018), Paper Th2H.7. (год публикации - 2018).

15. Черенков А.В., Лихачев Г.В., Лобанов В.Е., Кондратьев Н.М., Городецкий М.Л. Керровские частотные гребенки в полосе бриллюэновского рассеяния Труды XVI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах» имени А.П. Сухорукова («Волны-2018»)., Секция “Когерентная и нелинейная оптика”. С. 84-85. (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Научный коллектив под руководством В.Е. Лобанова продолжил в 2019 году исследования по гранту РНФ “Новые методы генерации широкополосных когерентных оптических частотных гребенок в микрорезонаторах”. 1) В ходе выполнения проекта была развита теория, описывающая влияние когерентной (резонансной) накачки на формирование азимутально-модулированных бегущих/вращающихся мод в поляритонных кольцевых микрорезонаторах при наличии потерь. Построенная теория была применена при анализе возбуждения вращающихся солитонных структур двухчастотной когерентной накачкой, реализуемой с помощью структурированных лазерных пучков, каждый из которых может обладать нетривиальным фазовым распределением, т.е. переносить вихрь, характеризующийся топологическим зарядом. Установлено, что одновременная накачка на двух частотах приводит к формированию вращающихся структур, чья угловая частота вращения определяется одновременно частотами и топологическими зарядами пучков накачки. Направление вращения также определяется топологическими зарядами пучков накачки. Частота вращения и эффективная энергия, соответствующие стационарным вращающимся модам, были получены аналитически. Был обнаружен широкий класс нелинейных вращающихся мод с различными симметриями и нетривиальными фазовыми распределениями. Установлена связь между симметрией моды и топологическими зарядами пучков накачки. Получены нелинейные резонансные кривые для различных комбинаций топологических зарядов пучков накачки и продемонстрировано, что увеличение амплитуды накачки может вести к бистабильности из-за нелинейного наклона резонансных кривых, причем при одной частоте накачки возможно сосуществование до пяти различных решений. Полученные результаты были опубликованы в журнале Optics Letters. 2) Была создана оригинальная экспериментальная установка для исследования эффекта затягивания микрорезонаторами в интегральном исполнении. Спектр многочастотного лазерного диода с центральной длиной волны 1535 нм, общей шириной спектра около 1 ТГц и шириной одной моды порядка 1 МГц был сужен до единственной линии с шириной около 100 кГц. С использованием полученного одночастотного источника была впервые продемонстрирована генерация оптической гребёнки в том же микрорезонаторе. Максимальная ширина спектра гребёнки наблюдалась при использовании микрорезонаторов с ОСД 1 ТГц и составляла около 400 нм. Полученные результаты были опубликованы в журнале Nature Communications. 3) Были исследованы и описаны различные типы нелинейных резонансов в микрорезонаторах с квадратичной нелинейностью и показана их связь с существованием солитонных частотных гребенок. Развита теория, описывающая солитоны в квадратичных микрорезонаторах как щелевые солитоны. Найдено два типа солитонов при различных соотношениях знаков дисперсии групповых скоростей на первой и второй гармониках. Для случая, когда дисперсии групповых скоростей имеют противоположные знаки, были найдены решения в виде ярких квазисолитонов, распространяющихся на слабо модулированном фоне низкой интенсивности. Для случая, когда знаки дисперсии одинаковы, было показано существование экспоненциально локализованных солитонов. Было доказано, что переход между этими типами связан с замыканием запрещенной зоны в спектре квазилинейных волн. Также была разработана методика согласования параметров микрорезонатора для обеспечения эффективной генерации частотных гребенок за счет квадратично-нелинейных процессов. Методика включает в себя выбор рабочей точки (частоты лазерного излучения) и оптимизацию формы под неё. Рассчитана частота синхронизма (190.8 ТГц) и оптимальные параметры микрорезонатора из ниобата лития с пятипроцентным допированием оксидом магния (большой радиус 501.89 мкм и малый 250 мкм). Модернизирована экспериментальная установка на основе микрорезонаторов из ниобата лития (LiNbO3) и танталата лития (LiTaO3) путем использования мощного многочастотного Фабри-Перо лазерного диода с выходной оптической мощностью более 100 мВт. Изготовлены микрорезонаторы из ниобата лития толщиной 100 мкм с добротностью до 1*10^8, что позволило уменьшить полуволновое напряжение до 110 мВ. Было продемонстрировано сужение линии лазерного диода за счет эффекта затягивания на микрорезонатор из ниобата лития с возможностью одновременной быстрой электрооптической перестройки с помощью эффекта Поккельса. Ширина линии лазерного диода затянутого на микрорезонатор из ниобата лития составила 4.7 кГц, в то время как быстрая перестройка частоты резонанса была доступна в пределах до 200 МГц (при приложении 6.5 В). Также было проведено исследование режимов многочастотного затягивания лазерного диода на микрорезонатор из ниобата лития и показана возможность одновременной генерации 4, 8, 12 затянутых линий. Полученные результаты были опубликованы в журнале Optics Express. 4) Было проведено численное исследование процесса возбуждения мод типа шепчущей галереи в микрорезонаторах с помощью полусферического элемента связи из того же материала, что и резонатор. Была продемонстрирована возможность возбуждения мод различных порядков, в том числе фундаментальной моды, в такой системе. Был изготовлен полусферический элемент связи из кремния и продемонстрирован уровень связи с модами шепчущей галереи с эффективностью свыше 35% на длине волны 1.55 мкм. Наблюдались термооптические осцилляции при мощностях накачки свыше 100 мВт. Была разработана установка для реализации эффекта затягивания на длине волны 2.25 мкм в МШГ резонаторах из кристаллического кремния с использованием полусферического элемента связи, позволяющая измерять параметры резонатора интерферометрическим методом. Ширина диапазона затягивания превышала 50 МГц, уровень связи достигал 15%. Добротность резонатора на длине волны 2.25 мкм была оценена интерферометрическим методом как превышающая 10^8, при этом на длине волны 1.55 мкм добротность была измерена более точно и составила 2.0*10^8. 5) Была численно показана генерация солитонов в режиме затягивания в различных спектральных диапазонах. Продемонстрирован многосолитонный, односолитонный режимы и режим генерации солитонных кристаллов. Аналитически и численно показано, что рабочая точка затянутого лазера всегда лежит внутри области существования солитонов. Была разработана аналитическая модель, описывающая влияние тепловой нелинейности на нелинейные процессы в режиме затягивания и в стационарном режиме показана компенсация тепловых сдвигов за счет затягивания на моду резонатора. Продемонстрирована генерация платиконов в режиме нормальной дисперсии за счёт эффекта затягивания. Определены пороговые значения коэффициента обратного рассеяния. Показана возможность наблюдения дрейфа платиконов и бризерных режимов. Полученные результаты были опубликованы в журнале Physical Review A. 6) Был исследован процесс стабилизации полупроводниковых лазерных диодов кристаллическими микрорезонаторами в различных спектральных диапазонах, от 780 нм до 1650 нм. Были выявлены несколько принципиально разных режимов: одночастотная генерация с ультра-узкой линией, многочастотная генерация с большим расстоянием (порядка нескольких нм) между линиями, генерация керровских солитонов, а также режим многочастотной генерации, в котором стабилизированными являются каждая первая или каждая вторая линии лазерного диода, причем эти линии могут участвовать в четырех-волновом взаимодействии в микрорезонаторе. Также наблюдался режим, предположительно, пассивной синхронизации мод лазерного источника на длинах волн 780 нм и 1550 нм. 7) Разработана теория расщепления нелинейного резонанса за счёт рэлеевского рассеяния и сопутствующего взаимодействия прямой и обратной волн. Показано, что в случае аномальной дисперсии при малых резкостях микрорезонатора солитоны имеют сложную динамику, но при типичных экспериментальных параметрах динамика близка к случаю, реализующемуся при отсутствии обратной волны. Эффект компенсации дрейфа наблюдался при малых значениях резкости. При достаточно большом коэффициенте обратного рассеяния наличие обратной волны приводит к подавлению генерации солитонов. В случае нормальной дисперсии взаимодействие с обратной волной может приводить к модуляционной неустойчивости для прямой волны и нелинейной генерации на второй ветви нелинейного резонанса.

 

Публикации

1. - Лазерный химический анализатор разместили на микрочипе За Науку, - (год публикации - ).

2. - Физики разместили лазерный химический анализатор на микрочипе Открытая Дубна, - (год публикации - ).

3. - Физики разместили лазерный химический анализатор на микрочипе МФТИ, - (год публикации - ).

4. - Физики разместили лазерный химический анализатор на микрочипе NAKED SCIENCE, - (год публикации - ).

5. Агафонова С.Е., Волошин А.С., Городницкий А.С., Шитиков А.Е., Городецкий М.Л. Эффект затягивания и генерация оптических гребёнок в интегральном микрорезонаторе из нитрида кремния VIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2019., Стр. 195-196. (год публикации - 2019).

6. Агафонова С.Е., Волошин А.С., Городницкий А.С., Шитиков А.Е., Лобанов В.Е., Городецкий М.Л. Генерация частотных гребёнок и диссипативных керровских солитонов в интегральных микрорезонаторах в режиме затягивания XIII международные чтения по квантовой оптике (IWQO – 2019): Сборник тезисов. г. Владимир, 9 – 14 cентября 2019 г. [Электронное издание]. – Москва: Тровант, 2019., Стр. 255-256. (год публикации - 2019).

7. Агафонова С.Е., Волошин А.С., Городницкий А.С., Шитиков А.Е., Лобанов В.Е., Городецкий М.Л. Generation of frequency combs and dissipative solitons in integrated microresonators in self-injection locking regime EPJ Web of Conferences, Т. 220, статья 03001. (год публикации - 2019).

8. Биленко И.А., Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Галиев Р.Р., Павлов Н.Г., Волошин А.С., Городницкий А.С., Коптяев С., Городецкий М.Л. Spectrum collapse, narrow lines, and soliton combs with multi-frequency laser diodes locked to optical microresonators Proceedings of SPIE. Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XXI., Том 10904, статья 109040K (год публикации - 2019).

9. Биленко И.А., Шитиков А.Е., Лобанов В.Е., Кондратьев Н.М., Волошин А.С., Городецкий М.Л. Experimental observation of above billion quality factor in silicon crystalline optical whispering gallery mode resonators Proceedings of SPIE. Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XXI., Том 10904, статья 1090402. (год публикации - 2019).

10. Вилуа А., Скрябин Д.В. Soliton and quasi-soliton frequency combs due to second harmonic generation in microresonators Optics Express, Том 27, выпуск 5, стр. 7098-7107 (год публикации - 2019).

11. Галиев Р.Р., Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Биленко И.А. Fundamentals of the theory of self-injection locking of multi-frequency laser diode to high-Q optical microresonator Journal of Physics: Conference Series., Том 1283, номер статьи 12006 (год публикации - 2019).

12. Галиев Р.Р., Кондратьев Н.М., Павлов Н.Г., Лобанов В.Е., Биленко И.А. Генерация частотной гребенки многочастотным лазером, затянутым на высокодобротный резонатор Сборник трудов XVII Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн» имени А.П. Сухорукова («Волны-2019»), Секция 6. Когерентные и нелинейные волновые явления. Стр. 36-37. (год публикации - 2019).

13. Городницкий А.С., Волошин А.С., Лихачев Г.В., Лобанов В.Е. Multi-frequency Laser Diode Stabilization by Lithium Niobate WGM Microresonator PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium Abstracts, Rome, Italy, 17–20 June, 2019, Стр. 2391 (год публикации - 2019).

14. Карташов Я.В., Зезюлин Д.А. Rotating patterns in polariton condensates in ring-shaped potentials under a bichromatic pump Optics Letters, Том 44, выпуск 19, стр. 4805-4808 (год публикации - 2019).

15. Кондратьев Н.М., Агафонова С.Е., Городницкий А.С., Волошин А.С., Лобанов В.Е. Modification of the self-injection locking effect due to the microresonator nonlinearity AIP Conference Proceedings, Том 2241, номер статьи 020021 (год публикации - 2020).

16. Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е. Генерация и динамика частотных гребенок и диссипативных керровских солитонов в оптических микрорезонаторах при наличии обратной волны XIII международные чтения по квантовой оптике (IWQO – 2019): Сборник тезисов. г. Владимир, 9 – 14 cентября 2019 г. [Электронное издание]. – Москва: Тровант, 2019., Стр. 182-185. (год публикации - 2019).

17. Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Скрябин Д.В. Modulational instability at normal dispersion in microresonators with backscattering Book of abstracts of ALT19, 15-20 September 2019, Prague, Czech Republic, Стр. 112-113. (год публикации - 2019).

18. Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Скрябин Д.В. Backward-wave induced modulational instability in normal dispersion Advanced Solid State Lasers - Proceedings Laser Congress 2019 (ASSL, LAC, LS and C), - (год публикации - 2019).

19. Кондратьев Н.М., Черенков А.В., Лобанов В.Е. Влияние обратной волны на генерацию и динамику керровских частотных гребенок и диссипативных керровских солитонов в оптических микрорезонаторах Сборник трудов XVII Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн» имени А.П. Сухорукова («Волны-2019»), Секция 6. Когерентные и нелинейные волновые явления. Стр. 54-57. (год публикации - 2019).

20. Лобанов В.Е., Кондратьев Н.М., Скрябин Д.В. Dissipative Kerr Solitons in a Bi-directional Optical Microresonator with Backscattering Advanced Solid State Lasers - Proceedings Laser Congress 2019 (ASSL, LAC, LS and C), - (год публикации - 2019).

21. Лобанов В.Е., Кондратьев Н.М., Скрябин Д.В. Generation and properties of dissipative Kerr solitons in optical microresonators with backscattering Book of Abstracts, ALT19, 15-20 September 2019, Prague, Czech Republic, Стр. 305-306 (год публикации - 2019).

22. Лобанов В.Е., Кондратьев Н.М., Шитиков А.Е., Галиев Р.Р., Биленко И.А. Generation and dynamics of solitonic pulses due to pump amplitude modulation at normal group-velocity dispersion Physical Review A, Том 100, выпуск 1, номер статьи 013807 (год публикации - 2019).

23. Раджа A.C., Волошин А.С., Гуо Х., Агафонова С.Е., Лиу Дж., Городницкий А.С., Карпов М., Павлов Н.Г., Лукас Э., Галиев Р.Р., Шитиков А.Е., Джост Дж.Д., Городецкий М.Л., Киппенберг Т.Дж. Electrically pumped photonic integrated soliton microcomb Nature Communications, Том 10, номер статьи 680 (год публикации - 2019).

24. Раджа A.C., Волошин А.С., Гуо Х., Агафонова С.Е., Лиу Дж., Городницкий А.С., Карпов М., Павлов Н.Г., Лукас Э., Галиев Р.Р., Шитиков А.Е., Джост Дж.Д., Городецкий М.Л., Киппенберг Т.Дж. Electrically Driven Ultra-compact Photonic Integrated Soliton Microcomb Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2019), STu3J.4 (год публикации - 2019).

25. Раджа A.C., Волошин А.С., Гуо Х., Агафонова С.Е., Лиу Дж., Городницкий А.С., Карпов М., Павлов Н.Г., Лукас Э., Галиев Р.Р., Шитиков А.Е., Джост Дж.Д., Городецкий М.Л., Киппенберг Т.Дж. Electrically Driven Photonic Integrated Soliton Microcomb 2019 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition, OFC 2019 – Proceeding, W1C.1 (год публикации - 2019).

26. Шитиков А.Е., Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Волошин А.С., Биленко И.А. Кремниевые микрорезонаторы МШГ с гигантской добротностью Сборник трудов XVII Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн» имени А.П. Сухорукова («Волны-2019»), Секция 5. Радиофотоника. Стр. 25-28. (год публикации - 2019).

27. Шитиков А.Е., Тебенева Т., Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Бендеров О., Родин А., Биленко И.А. Self-injection locking of a laser diode to a high-Q silicon WGM microresonator EPJ Web of Conferences, Т. 220, статья 03027. (год публикации - 2019).

28. Шитиков А.Е., Тебенева Т.С., Кондратьев Н.М., Лобанов В.Е., Бендеров О.В., Родин А.В., Биленко И.А. Затягивание лазерного диода высокодобротным МШГ резонатором из кристаллического кремния XIII международные чтения по квантовой оптике (IWQO – 2019): Сборник тезисов. г. Владимир, 9 – 14 cентября 2019 г. [Электронное издание]. – Москва: Тровант, 2019., Стр. 417-420. (год публикации - 2019).