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硅芯鱼骨形波导扩展频率梳

频率梳正成为21世纪最强大的技术之一。高精度原子钟和高精度光谱学只是受益于高精度频率梳开发的两项技术。但是,原始的频率梳源需要一个充满设备的房间。事实证明,如果您建议一个装满精致设备的房间非常适合商业应用,那么开发工程师会为最近的出口准备一条直线。

通过制造实际上足够坚固以承受日常使用的严酷条件的基于芯片的设备,可以解决这些缺点。为此,科学家们必须在波导的光波行为与材料特性之间取得平衡。这种平衡更易于在玻璃中进行工程设计,而对于应用程序以及与现有设备的集成,使用硅会更好。

用硅波导很难产生非常宽的频率梳,但是聪明的波导工程可能会使这项任务变得更加容易。Zhang和他的同事在Advanced Photonics上发表了文章,展示了一种制造渐变折射率波导的方法,该波导可使频率梳的宽度增加一倍以上(与普通波导相比)。

峰对齐以获得更宽的梳子?

频率梳是一种光谱,它由许多非常清晰地定义的,等间隔的频率组成。功率谱看起来很像梳子,因此得名。

频率梳的产生是允许光产生新颜色的光的材料属性(称为光学非线性),光所遵循的路径配置(光学谐振器)和色散(速度如何)之间的微妙平衡。的光随材料中的波长而变化)。最后一个项目,分散,通常是杀手er,这是Zhang和同事的工作重点。为了生成非常宽的频率梳,组成梳的颜色必须全部保持同相。具体来说:如果两个波在某一点的峰对齐,那么在空间和时间上更远的某个点,这些峰仍应对齐。但是,通常情况下,这永远不会发生,并且峰会相互滑过,从而阻止了任何新频率的产生。

工程救援

为了补偿材料的分散,研究人员经常转向波导工程。由于波导是由材料制成的,因此它们具有色散,并且波导本身的限制会引入另一种色散。这种分散取决于波导的形状,尺寸以及所使用的材料。这使工程师可以通过其波导设计来抵抗材料扩散。

但是,这对硅来说是艰巨的工作。与玻璃覆层相比,硅芯具有较大的折射率。两者之间的巨大差异会产生强烈的色散,从而过度补偿了材料色散。

Zhang和他的同事的洞察力是,玻璃覆层和硅芯之间的界面不必太尖锐。他们设计了一种波导,该波导的硅芯具有鱼骨形结构,该结构向外延伸到玻璃覆层中。混合区域中的有效折射率是玻璃和硅的平均值,从硅逐渐过渡到玻璃:渐变折射率波导。

在渐变索引中,红色散开以占据更宽的波导区域,而蓝色则受到更严格的限制。净效应是,不同的波长表现得好像它们在不同宽度的波导中传播,而实际上它们却在同一波导中共同传播。研究人员将此效果称为自适应边界。他们探索了鱼骨结构的不同配置。每种配置都增加了色散较小的波长范围。

为了确认其渐变折射率波导会产生更好的频率梳,该团队对标准和渐变折射率波导中的频率梳生成进行了建模。他们表明频谱从大约20 THz扩展到大约44 THz。

开灯

到目前为止,研究人员仅对结构进行了计算和建模。但是,建议的结构在选择时都考虑了制造,因此一旦获得兔子服,测试设备就应投入使用。然后,硅频率梳可以真正支撑它们。一个很好的例子:硅在很宽的红外线范围内都是透明的,红外线也是光谱鉴定分子所需的波长范围。基于芯片的频率梳将实现高精度和高灵敏度的紧凑型光谱仪。

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