С момента своего изобретения в 2000 году специальное измерительное устройство, называемое гребенкой оптических частот, стало мощным инструментом для выполнения этих измерений. Частотная гребенка состоит из множества равномерно разнесенных частот, похожих на зубцы гребенки. Эти зубцы функционируют как линии на линейке, позволяя измерять частоты с беспрецедентной точностью и скоростью.
Частотные гребенки оказались настолько важными, что половина Нобелевской премии по физике в 2005 году была присуждена Джону Холлу и Теодору Ханшу за их разработку и демонстрацию их полезности.
Однако «трудность с большинством гребенчатых систем состоит в том, что они требуют дорогостоящего лазерного оборудования», – говорит Менюк. В 2009 году исследовательская группа в Швейцарии показала, что для создания частотных гребенок можно использовать крошечные резонаторы миллиметрового размера, называемые микрорезонаторами.
Это привело к всемирным усилиям по разработке этих гребней для различных применений. В Соединенных Штатах эти усилия были поддержаны NSF, NASA и DARPA.
Однако это усилие также столкнулось с серьезными проблемами. Одна из проблем заключается в том, что мощность каждого «зуба» гребенки слишком мала без значительного усиления, что требует большой внешней системы. Другой проблемой является создание гребенки в первую очередь, «что опять же требует сложной системы запуска», – объясняет Менюк. «В результате система не является компактной, что лишает смысла использование микрорезонаторов."
В новой статье в Optica, написанной в соавторстве с Менюком, его аспирантом Чжэнь Ци и их коллегами из Технологического университета Перейры и Университета Пердью, описывается подход, который потенциально может решить обе эти проблемы с использованием новых форм световых волн.
Все системы частотных гребенок на сегодняшний день используют специальные световые волны, называемые солитонами, которые Менюк изучал более тридцати лет. Он, Ци и их соавторы предположили, что необычные формы света, известные как кноидальные волны или ролики Тьюринга, лучше адаптированы, чем солитоны, к небольшому размеру микрорезонаторов.
Теоретически они продемонстрировали, что гребенки, использующие эти формы волны, могут быть получены простым включением источника питания для микрорезонатора, в отличие от солитонных гребенок, и дают гораздо более мощные зубцы гребенки, что решит обе основные проблемы, затрудняющие разработку микрорезонатора.
«Успешная разработка компактных частотных гребенок на кристалле значительно расширит область применения частотных гребенок», – говорит Менюк. "В частности, они значительно увеличат скорость, с которой данные могут быть синхронизированы на расстоянии, что позволит приложениям, которые сейчас мы можем только вообразить."