Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе работ на данном этапе Проекта была разработана численная модель для изучения генерации солитонных импульсов в режиме затягивания. Выявлены различные режимы генерации светлых солитонов (при аномальной дисперсии групповых скоростей) в режиме затягивании источника накачки модой микрорезонатора и детально исследована их динамика. Построена карта режимов в координатах обратное рассеяние-амплитуда накачки при фиксированных значениях коэффициента дисперсии групповых скоростей и фазы затягивания. Также выявлены различные режимы генерации платиконов (нормальная дисперсия) при затягивании и детально исследована их динамика. Показано, что затягивание является новым эффективным методом генерации платиконов, не требующим дополнительных модификаций. Построена карта режимов в координатах “коэффициент обратного рассеяния - амплитуда накачки” при фиксированных дисперсии групповых скоростей и фазе затягивания. Описано влияние обратной волны на динамику генерации солитонов и платиконов при накачке незатянутым лазером. Показано, что взаимодействие с обратной волной может приводить как к дестабилизации генерируемых солитонов, так и к подавлению их генерации и к возможности переключения между различными солитонными состояниями. Впервые в мире проведено теоретическое и экспериментальное исследование процесса затягивание лазерного диода на нелинейный микрорезонатор с добротностью более 10 миллионов. Разработана оригинальная экспериментальная методика, позволившая впервые тщательно измерить перестроечную кривую при нелинейном затягивании и провести ее сравнение с разработанной теоретической моделью, показавшее отличное соответствие. Выявлены и описаны различные режимы, возникающие при нелинейном затягивании. Гибридный интегральный источник оптической частотной гребенки, сконструированный из интегрального микрорезонатора из нитрида кремния и высокомощного диода с распределенной обратной связью, позволил сгенерировать солитонную оптическую гребенку с частотой повторения 30 ГГц, и чрезвычайно низкими фазовыми шумами, которые на некоторых отстройках превзошли коммерческие СВЧ генераторы. Было проведено прямое измерение временных и спектральных характеристик генерируемых оптических гребенок и детально изучена динамика процесса генерации солитона в режиме затягивания. Проведенные исследования предоставили новое и глубокое понимание нелинейных процессов в фотонных интегральных схемах, интегрированных с полупроводниковыми лазерными устройствами, а также стали важным шагом для практической реализации полностью интегральных источников оптических частотных гребенок. Изучена возможность создания и свойства кольцевых поляритонных лазеров на основе массивов поляритонных микрорезонаторов, излучающих в вихревых или топологически защищенных состояниях. В частности, проанализирована возможность генерации широкого спектра устойчивых вихревых поляритонных мод с различными контролируемыми топологическими зарядами в кольцевых массивах поляритонных микрорезонаторов (микростолбиков) с различным числом элементов в кольцевой структуре при наличии существенного расщепления по энергии между ТЕ- и ТМ-поляризованными модами структуры, эквивалентному спин-орбитальному взаимодействию. Установлено, что это расщепление приводит к снятию вырождения между линейными вихревыми модами с противоположными топологическими зарядами, поддерживаемыми данной структурой, и генерации целого ряда невырожденных вихревых состояний с различными топологическими зарядами в двух поляризационных компонентах. Найдены закономерности формирования невырожденных вихревых мод, ограничения на их топологический заряд из-за симметрии структуры, и влияние на их энергии ТЕ-ТМ расщепления. Показано, что поскольку вихревые моды при наличии ТЕ-ТМ расщепления соответствуют различным энергиям, то они могут селективно возбуждаться с помощью когерентной резонансной накачки с определенной частотой и пространственной структурой. При высоких мощностях накачки поляритон-поляритонные взаимодействия приводят к связи между различными вихревыми модами и оптической бистабильности, в результате которой излучаемые моды приобретают сильную азимутальную модуляцию, при этом в фазовых распределениях возможно расщепление сингулярностей с высокими топологическими зарядами на несколько сингулярностей с единичными зарядами. Предложенная структура не требует приложения внешнего магнитного поля. Контроль топологического заряда излучаемых вихревых мод в этих устройствах можно осуществлять с помощью простого изменения амплитуды, частоты, пространственной структуры или состояния поляризации накачки. Полученные результаты могут быть использованы для разработки лазеров, основанных на поляритонных микрорезонаторах, позволяющих генерировать широкий спектр устойчивых состояний с нетривиальными распределениями интенсивности и фазы. На основе уравнений Максвелла разработана оригинальная модель, описывающая нелинейные процессы в квадратично-нелинейных микрорезонаторах. Модель использует псевдоспектральное представление нелинейных членов и позволяет учитывать дисперсию нелинейности, а также различные типы решеток, обеспечивающих квазисинхронизм. Численно на основе связанных уравнений Луджиато-Лефевра исследована возможность генерации двухцветных платиконов в квадратично-нелинейных микрорезонаторах для процессов генерации второй гармоники и параметрического распада. Показано, что в обоих случаях генерация возможна либо при амплитудно-модулированной накачке, либо при сдвиге моды накачки за счет взаимодействия мод, если знаки дисперсии групповых скоростей для взаимодействующих гармоник противоположны. Изучены условия генерации и показана важность согласования дисперсионных коэффициентов, межмодовых расстояний и резонансных частот. Показано, что для процесса генерации второй гармоники платикон может быть сгенерирован как при положительной, так и при отрицательной отстройке частоты накачки от линейного резонанса. Для процесса параметрического распада генерация платикона возможно либо при положительной, либо при отрицательной отстройке, в зависимости от комбинации дисперсионных коэффициентов. Проанализированы профили генерируемых платиконов для различных методов генерации и параметров системы. Проведены эксперименты по исследованию затягивания лазерных диодов на длинах волн 2.3 и 2.6 мкм на кремниевый микрорезонатор. Установлено, что для высокодобротных резонаторов в этом диапазоне влияние двухфотонного поглощения сходит на нет и измеренная экспериментально добротность 5х10^8 не вызывает проявления сильной нелинейности. Выявлено, что основным механизмом потерь является рэлеевское упругое рассеяние. Показана необходимость учета влияния трехфотонного поглощения в микрорезонаторе. Отработана методика изготовления микрорезонаторов из германия, халкогинидных кристаллов и арсенида галлия для среднего ИК диапазона методом алмазного точения. Определены параметры оптимального точения (глубина точения, скорость подачи), а также алгоритм последующей обработки выточенных образцов. Изготовлены опытные образцы микрорезонаторов из кристаллического германия. Разработана экспериментальная установка для возбуждения мод шепчущей галереи в ближнем ИК диапазоне и измерения их добротности. Добротность микрорезонаторов из арсенида галлия измерена на длине волны 1550 нм и добротность достигала 5х10^6 при уровне связи около 10 %. Отработана методика изготовления микрорезонаторов из фторида магния (MgF2), фторида кальция (CaF2), фторида бария (BaF2) и ниобата лития (LiNbO3) для видимого диапазона. Разработаны индивидуальные для каждого материала программы точения на станке с ЧПУ. Определены параметры оптимального точения (скорость вращения шпинделя, линейная скорость точения, скорость подачи резца и глубина захода), а также определены алгоритмы последующей полировки выточенных образцов. Максимальное измеренное значение добротности резонатора из фторида магния (MgF2) превысило 10^9, на длине волны 780 нм, при межмодовом расстоянии 17.6 ГГц. Произведена оптимизация связи с микрорезонаторами за счёт использования ультратонкого растянутого волокна с минимальным диаметром перетяжки порядка 900 нм. Разработана установка для получения гребенок в видимом диапазоне. Полученные результаты доложены на престижных международных конференциях (2020 OSA Advanced Photonics Congress, OSA Frontiers in Optics + Laser Science, IEEE International Photonics Conference 2020, 19th International Conference Laser Optics (ICLO 2020)) и опубликованы в высокорейтинговых рецензируемых журналах (Optics Letters, Optics Express, JOSA B, Physical Review A).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе работ на данном этапе проекта было проведено масштабное усовершенствование созданной на предыдущем этапе экспериментальной установки для исследования эффекта затягивания и генерации солитонных частотных гребенок в интегральных микрорезонаторах. В результате модернизации появилась возможность использования для накачки микрорезонаторов различных типов лазерных диодов и возможность одновременного контроля оптического спектра в диапазоне 600-1700 нм и фоновых электрических шумов выходного сигнала в диапазоне DC-26 ГГц, что позволяет получать информацию о его когерентности (синхронизации фаз). На данной установке была успешно продемонстрирована генерация солитонной гребенки со спектральной шириной 200 нм и эффективностью перекачки около 20-25% в интегральном микрорезонаторе с межмодовым расстоянием 150 ГГц при накачке многочастотным Фабри-Перо лазерным диодом. Проведено сравнение двух типов диодов, одночастотного с распределенной связью (РОС) и многочастотного Фабри-Перо, с точки зрения использования для генерации оптических гребенок. В результате было выявлено, что в случае одночастотного затягивания характеристики гребенок не зависят от типа используемого для накачки лазерного диода. С многочастотным Фабри-Перо лазерным диодом и 150 ГГц микрорезонатором было успешно продемонстрировано несколько различных конфигураций, для которых наблюдалось многочастотное затягивание (совпадение 2-4 пар “продольная мода Фабри-Перо и собственная частота микрорезонатора”). Более того, при использовании лазерного диода Фабри-Перо с межмодовым расстоянием ~ 35 ГГц для одного из интегральных микрорезонаторов с межмодовым расстоянием ~100 ГГц удалось пронаблюдать одновременную генерацию двух частотных гребенок с частично перекрывающимися спектрами в одном резонаторе. Центральные линии гребенок при этом располагались на 1517 нм и 1542 нм и находились в рамках области усиления лазерного диода. Дистанция между ними соответствует 29-кратному межмодовому расстоянию микрорезонатора и 85-кратному межмодовому расстоянию лазерного диода. Также были исследованы замкнутые топологические токи в поляритонных конденсатах, возбуждаемые однородной резонансной накачкой в кольцевых сотовых массивах микрорезонаторов с отверстиями различного размера в центре структуры. Такие кольцевые токи возникают в системе с заметным ТЕ-ТМ расщеплением (спин-орбитальным взаимодействием) при наличии зеемановского расщепления во внешнем магнитном поле, которое возникает за счет экситонной составляющей и нарушает симметрию по отношению к обращению времени. Установлено, что в этом случае система становится топологически нетривиальной, в спектре ее линейных мод открывается топологическая запрещенная зона, в которой, при наличии границы и возникают топологические краевые состояния (токи). Ключевой особенностью рассмотренной структуры является наличие двух границ – внутренней и внешней – где направления топологических токов противоположны. Показано, что из-за конечных размеров структуры поляритон-поляритонные взаимодействия приводят к связыванию краевых состояний на внутренней и внешней границах. Продемонстрировано переключение между токами на этих границах при изменении частоты накачки. Изучены эффекты бистабильности в этой топологически нетривиальной геометрии. Полученные результаты могут быть использованы для разработки лазеров, основанных на поляритонных микрорезонаторах, позволяющих генерировать широкий спектр устойчивых состояний с нетривиальными распределениями интенсивности и фазы. Кроме этого был создан стенд для измерения дисперсионных характеристик интегральных и кристаллических оптических микрорезонаторов в широком диапазоне длин волн от 1510 до 1620 нм. на базе перестраиваемого лазера Toptica CTL1550 и волоконного интерферометра Маха-Цендера с областью свободной дисперсии 102 МГц. Разработана оригинальная методика проведения эксперимента и созданы программы для обработки экспериментальных данных. С помощью данной методики были успешно измерены дисперсионные характеристики интегральных резонаторов из нитрида кремния с межмодовым расстоянием (областью свободной дисперсии) ~ 150 ГГц и ~ 1 ТГц. Также была проведена верификация рассматриваемого метода путем сравнения полученных экспериментальных данных с результатами численных расчетов, подтвердившая точность метода. Созданный стенд позволяет определять положения собственных частот микрорезонатора с точностью 10^5 Гц и может быть использован для измерения дисперсионных характеристик микрорезонаторов с межмодовым расстоянием вплоть до 1 ТГц. Также была успешно продемонстрирована генерация солитонной гребенки, спектральная ширина которой достигает 450 нм и полностью согласуется с теоретическими предсказаниями, основанными на полученных в ходе характеризации параметрах данного микрорезонатора. Было показано, что измеренные дисперсионные характеристики имеющихся в наличии микрорезонаторов не соответствуют дисперсионным характеристикам, необходимым для наблюдения предсказанного в рамках Проекта-2017 эффекта самозахвата частоты повторения солитонов. Отсутствие эффекта самозахвата в имеющихся микрорезонаторах было подтверждено экспериментально. Также были проведены эксперименты по генерации оптических частотных гребенок и платиконов, в режиме затягивания лазерного диода высокодобротным оптическим микрорезонатором. Эксперименты проводились в резонаторах из фторида магния, имеющих диаметры 3 и 4 мм и добротностью 10^9, на длине волны 780 нм, соответствующей нормальной дисперсии групповых скоростей. Моды шепчущей галереи возбуждались одночастотным лазерным диодом мощностью около 70 мВт и межмодовым интервалом 45 ГГц. В резонаторе диаметром 3 мм в режиме затягивания были возбуждены оптические частотные гребенки, в том числе и платиконоподобные, с частотным интервалом между линиями кратным 1 области свободной дисперсии (ОСД) микрорезонатора, 22 ГГц, и характерным узким сигналом биений между линиями. Этот сигнал биений был аппроксимирован распределением Войгта: гауссова компонента составила 137 Гц, а лоренцева компонента составила 44 Гц. Было проведено сравнение теоретически рассчитанных оптических спектров платиконов для параметров эксперимента с полученными экспериментальными данными и показано хорошее соответствие форм спектров генерируемых сигналов. Было отмечено, что помимо платиконоподобных частотных гребенок также возможна генерация гребенок с частотным интервалом между линиями, кратным четному числу ОСД микрорезонатора и, соответственно, кратному ОСД лазерного диода. Однако для резонатора c диаметром 4 мм и ОСД 17.5 ГГц были отмечены гребенки с частотным интервалом между линиями 90 ГГц, что является наименьшим общим кратным ОСД лазера и ОСД резонатора 4 мм. Был сделан вывод, что в режиме затягивания подавленные продольные моды лазерного диода оказывают влияние на генерацию оптических частотных гребенок в микрорезонаторах, непосредственно участвуя в четырехволновом смешении. Численно продемонстрирован новый механизм генерации платиконов в микрорезонаторах с нормальной дисперсией групповых скоростей за счет тепловых эффектов. Определены условия возбуждения платиконов этим методом и изучена динамика генерации для различных параметров рассматриваемой системы. Также впервые численно продемонстрирована возможность генерации векторного платикона, состоящего из двух нелинейно связанных платиконных компонентов, имеющих ортогональные поляризации, одним пучком амплитудно-модулированной накачки. Показано влияние нелинейной связи на амплитудные профили генерируемых сигналов. Обнаружена возможность управления характеристиками генерируемых сигналов путем перестройки состояния поляризации накачки. Найдены условия генерации векторных платиконов. Показано, что генерация таких сигналов возможна, если частотный интервал между накачиваемыми модами и мощность накачки меньше предельных значений. Эффективность генерации также зависит от разности межмодовых расстояний для накачиваемых семейств мод, определяемой расстройкой групповых скоростей. При ненулевой разности межмодовых состояний, меньшей порогового значения, генерация векторных платиконов возможна, но амплитудный профиль становится асимметричным. Для случая, когда для накачиваемых мод знаки коэффициента дисперсии групповых скоростей противоположны, численно продемонстрирована возможность генерации нелинейно связанных солитон-платиконных комплексов, с ортогонально поляризованными солитонной и платиконной компонентами. Показано, что генерация таких структур наиболее вероятна, если сначала накачивается мода с аномальной дисперсией групповых скоростей, а потом – с нормальной дисперсией. Выявлена генерация структур с одним и двумя солитонами. Показано, что солитоны индуцируют узкие провалы на платиконном профиле. Полученные результаты могут быть использованы для создания нового типа компактных источников оптических частотных гребенок с более гибким управлением характеристиками генерируемых сигналов, обеспечиваемым управлением поляризацией пучка накачки. Используя разработанную на предыдущем этапе выполнения проекта модель, было проведено исследование солитонов, генерируемых в квадратичных микрорезонаторах в результате процесса параметрического распада. Найдено явное решение в виде квадрата гиперболического секанса, связанное с оптическим эффектом Поккельса, для случая согласования фазовых и групповых скоростей взаимодействующих полей. Показано, что такой солитон отличается от солитона в виде гиперболического секанса, описывающего поле на половинной частоте в случае большой расстройки фазовых скоростей на частотах взаимодействующих волн и связанного с каскадным эффектом Керра. Предсказаны различия в спектральных профилях и мощностях солитонов Поккельса и каскадных керровских солитонов и показано, что пороговая мощность накачки первых хорошо согласуется с недавними экспериментальными наблюдениями. Выявлено, что солитоны в виде гиперболического секанса и квадрата гиперболического секанса представляют собой предельные случаи для широкого семейства существующих в такой системе светлых солитонов. Также для многомодовых высокодобротных кольцевых микрорезонаторов с квадратичной нелинейностью впервые была предложена и детально изучена концепция поляритонных квазичастиц, фотон-фотонных поляритонов. Показано, что режим квазичастиц становится возможным, если резонатор работает в так называемом режиме сильной связи, реализуемом, когда резонатор накачивается далеко от условий фазового синхронизма, что позволяет эрмитовой части оператора связи боковых полос преобладать над эффектами диссипации и параметрического усиления. Поляритонная модель была использована для того, чтобы спрогнозировать модифицированный спектральный отклик резонатора на слабое пробное поле и продемонстрировать возможность наблюдения таких эффектов как расщепление резонансов и колебания Раби. Поляритонная модель также позволили получить дискретную последовательность параметрических порогов для генерации боковых полос разного порядка. Полученные результаты показывают возможность эффективного использования квазичастичного подхода для исследования нелинейных процессов в оптических микрорезонаторов. Был разработан и изготовлен элемент связи из кристаллического германия в форме прямоугольного параллелепипеда. Согласно расчетам, такой элемент связи обеспечивает оптимальный для связи с микрорезонаторами из кристаллического германия угол падения луча на внешнюю грань призмы. Была разработана и создана экспериментальная установка для исследования линейных и нелинейных свойств микрорезонаторов из кристаллического германия на длине волны 6 мкм при накачке квантово-каскадным лазером. Однако, достоверно возбудить высокодобротные моды шепчущей галереи в изготовленных на прошлом этапе проекта микрорезонаторах не удалось и требуются дополнительные исследования. Было проведено исследование достижимых добротностей в микрорезонаторах из кристаллического кремния в среднем ИК диапазоне на длинах волн 2.6, 6.0, 8.6 мкм. Было показано отсутствие нелинейных потерь, связанных с двухфотонным поглощением на длине волны 2.6 мкм, измеренная добротность достигала 5х10^8. Была измерена добротность на длине волны 8.6 мкм, которая достигала 3х10^5. Такое сравнительно низкое значение вероятно обусловлено многофононным поглощением в материале. Была измерена добротность микрорезонаторов из кристаллического кремния на длине волны 6 мкм, добротность превышала 10^7. Было показано уменьшение оптических потерь и увеличение добротности при нагревании микрорезонатора керамическим нагревателем на несколько десятков градусов. Такой эффект обусловлен потерями на поверхности резонатора, связанными с адсорбированной водой, которая испаряется при нагревании. Были проведены экспериментальные исследования нелинейных эффектов, включающих генерацию оптических частотных гребенок, в высокодобротных микрорезонаторах из фторида магния в видимом диапазоне. Для накачки использовались многочастотные диодные лазеры типа Фабри-Перо мощностью 80 мВт, излучающие на длине волны 638 нм. Исследования проводились в режиме затягивания лазера высокодобротным микрорезонатором. Для характеризации лазерного излучения в режиме затягивания были собраны две экспериментальных установки на основе одинаковых лазерных диодов, которые позволяют измерить ширину линии и спектральную плотность фазовых шумов методом гетеродинирования. Было продемонстрировано, что при затягивании многочастотный спектр лазерного диода коллапсирует в одну узкую линию с потерей выходной мощности, не превышающей 5%. Измеренная ширина линии затянутого лазера была менее 0.5 кГц. Спектральная плотность фазовых шумов также соответствовала суб-кГц ширине линии для отстроек частоты свыше 10 кГц. Наблюдались узкие сигналы биений на частоте, равной межмодовому интервалу лазерного диода, а также нелинейная генерация, вероятно связанная с вынужденным рассеянием Мандельштама-Бриллюэна. Были получены оптические частотные гребенки при модуляции усиления лазерного диода. Частотный интервал между линиями соответствовал частоте модуляции, приложенной к Т-мосту, и мог варьироваться в диапазоне от 1 МГц до 2 ГГц. При этом благодаря эффекту затягивания линии гребенки остаются такими же узкими, как и линия генерации лазерного диода без приложенной модуляции, что делает гребенку более стабильной и контрастной. Методом конечных элементов была рассчитана геометрия объемных кристаллических микрорезонаторов, обеспечивающая аномальную дисперсию групповых скоростей в видимом диапазоне. Было показано, что это возможно в так называемых клиновидных микрорезонаторах, и были рассчитаны их параметры. Для длины волны 635 нм радиус закругления острого конца должен быть меньше 15 мкм. Была разработана методика изготовления таких резонаторов и изготовлены резонаторы с радиусами закругления в диапазоне от 100 до 4 мкм. Разработана теория, позволяющая описать нелинейные процессы в микрорезонаторе при двухчастотной накачке для случая, когда две волны накачки распространяются навстречу друг другу. На основе разработанной модели показана возможность контроля динамики солитона, распространяющего в одном направлении, путем прямой и обратной перестройки частоты волны накачки, распространяющейся в противоположном направлении. Полученные результаты доложены на престижных международных конференциях (2021 OSA Advanced Photonics Congress, 2021 OSA Frontiers in Optics + Laser Science, CLEO Europe 2021) и опубликованы в высокорейтинговых рецензируемых журналах (Nature Communications, Optics Letters, Optics Express, Physical Review A, Physical Review Research, Photonics).