Кольцевой резонатор в форме яйца увеличил размерность оптических систем

Разновидность кольцевого резонатора в форме яйца позволила физикам создать быстрый каскадный лазер. А его спектральные характеристики послужили основой для создания дополнительной частотной степени свободы. Работа опубликована в журнале Science.

Стремление к миниатюризации оптических систем позволяет не только получать быстрые и хорошо интегрируемые устройства, но и обнаруживать новые физические явления. Ученые уже давно пользуются лазерами, которые умещаются на интегральном чипе, и даже создают схемы для управления оптическим излучением на том же чипе.

Одну из ключевых составляющих лазера — резонатор — можно реализовать разными способами. Например, в виде кольца. Кольцевые резонаторы используются не только в лазерных системах, но и для схем задержек, интерферометров, фильтров или в схеме оптического гироскопа. От размеров резонатора зависит то, какая длина волны света будет распространяться по нему наиболее эффективно. Такие длины волн называются резонансными.

Команда физиков из Института квантовой электроники в Цюрихе под руководством Жерома Файста (Jérôme Faist) показала, как с помощью кольцевого резонатора с фазовой модуляцией можно создать дополнительную размерность. Они предлагают с ее помощью делать многомерные системы для исследования квантовых блужданий.

Авторы использовали полупроводниковый лазер с резонатором в форме яйца и модулируемой фазой, излучающий в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Важно отметить, что процесс накачки и переизлучения происходит на межзонных переходах (такие лазеры еще называют каскадными и обычно реализуются в гетероструктурах), поэтому период накачки активной среды — между моментами непосредственно излучения — оказывается очень коротким. Это значит, что лазер может генерировать импульсы с высокой частотой.

Авторы подавали на вход резонатора излучение разных длин волн и мощностей и измеряли выходной спектр. Оказалось, что поведение резонатора можно представить в виде гармонического осциллятора, который имеет ограниченное число мод (в эксперименте число мод ограничено из-за дисперсии). С увеличением номера моды осциллятора увеличивается ширина спектра этой моды, что совпадает с поведением резонатора. Инфракрасная фурье-спектроскопия показала, что в свободном состоянии лазер генерирует одномодовый сигнал и при приближении к резонансу на выходе наблюдается многомодовый режим с довольно плоской центральной частью. При этом он состояние резонанса оказывается довольно стабильным, а перемещение между разными модами как раз задает дополнительную размерность. Помимо применения разработанного лазера, авторы отмечают, что его компоненты быстрого восстановления можно использовать и в других схемах с другими длинами волн.

Оказывается, что дополнительную степень свободы можно не только искусственно создать, но и научиться отражать в ней сигнал, как это ранее сделали физики из Гонконга и США.