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. Работа опубликована в журнале Physical Review Applied.
Исследование поддержано грантом РНФ (№23-42-00111).
Микрорезонаторы — миниатюрные оптические накопители света в форме кольца на чипе из кремния или другого материала. Они являются важным элементом 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.
(a)–(c) Спектрограммы и (d)–(f) спектры для расстройки накачки ζ = –2,33 для различных значений дисперсии при фиксированной околопороговой амплитуде накачки f = 1,24. При меньших абсолютных значениях дисперсии режим сигнала начинает генерироваться раньше [(a),(d)], а при больших абсолютных значениях дисперсии соседние режимы появляются раньше, несмотря на генерацию режима сигнала [(c),(f)]. Во всех случаях возбуждается режим сигнала μ = 0. Пороговые значения были рассчитаны для n = 3. Все величины приведены в безразмерных единицах измерения. Фото: Physical Review Applied
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. Как уже было сказано, 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%.
«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%. Симметричный сдвиг боковых мод уменьшает порог на 40%.
Этот новый подход дисперсионной инженерии продемонстрировал устойчивость системы к неравенствам в мощности двух накачек до 2%. Это в 10 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.
Научная статья: Tatarinova, Nadezhda S. and Shitikov, Artem E. and Grechko, Georgy V. and Vorobyev, Alexander K. and Masalov, Anatoly V. and Bilenko, Igor A. and Chermoshentsev, Dmitry A. and Lobanov, Valery E.; Optimization of the threshold for degenerate optical parametric oscillations in a bichromatically pumped microresonator; Phys. Rev. Appl., 24(2), 024010-1-13, 2025; DOI: 10.1103/xphr-cml2
