Гребни частоты Керра (также известные как гребни частоты микрорезонатора ) являются гребнями оптической частоты , которые генерируются из непрерывного лазера накачки с помощью нелинейности Керра . Это когерентное преобразование лазера накачки в гребень частоты происходит внутри оптического резонатора , который обычно имеет размер от микрометра до миллиметра и поэтому называется микрорезонатором . Когерентная генерация гребня частоты из непрерывного лазера с оптической нелинейностью в качестве усиления отличает гребни частоты Керра от наиболее распространенных на сегодняшний день оптических гребней частоты. Эти гребни частоты генерируются лазерами с синхронизацией мод, где доминирующее усиление происходит из обычной лазерной усиливающей среды, которая накачивается некогерентно. Поскольку гребни частоты Керра полагаются только на нелинейные свойства среды внутри микрорезонатора и не требуют широкополосной лазерной усиливающей среды, широкие гребни частоты Керра в принципе могут быть сгенерированы вокруг любой частоты накачки.
В то время как принцип гребенок частоты Керра применим к любому типу оптического резонатора, требованием для генерации гребня частоты Керра является интенсивность поля лазера накачки выше параметрического порога нелинейного процесса. Это требование легче выполнить внутри микрорезонатора из-за возможных очень низких потерь внутри микрорезонаторов (и соответствующих высоких добротностей ) и из-за малых объемов мод микрорезонаторов . Эти две особенности в совокупности приводят к большому усилению поля лазера накачки внутри микрорезонатора, что позволяет генерировать широкие гребни частоты Керра для разумных мощностей лазера накачки.
Одним из важных свойств гребенок частоты Керра, которое является прямым следствием малых размеров микрорезонаторов и их результирующих больших свободных спектральных диапазонов (FSR) , является большой интервал мод типичных гребенок частоты Керра. Для лазеров с синхронизацией мод этот интервал мод, который определяет расстояние между соседними зубцами гребня частоты, обычно находится в диапазоне от 10 МГц до 1 ГГц. Для гребенок частоты Керра типичный диапазон составляет примерно от 10 ГГц до 1 ТГц.
Когерентная генерация оптической частотной гребенки из непрерывного лазера накачки не является уникальным свойством керровских частотных гребенок. Оптические частотные гребенки, генерируемые каскадными оптическими модуляторами, также обладают этим свойством. Для определенных приложений это свойство может быть выгодным. Например, для стабилизации частоты смещения керровской частотной гребенки можно напрямую применить обратную связь к частоте лазера накачки. В принципе, также возможно генерировать керровскую частотную гребенку вокруг конкретного непрерывного лазера, чтобы использовать полосу пропускания частотной гребенки для определения точной частоты непрерывного лазера.
С момента первой демонстрации в кремниевых микротороидальных резонаторах [1] керровские частотные гребенки были продемонстрированы в различных платформах микрорезонаторов, которые, в частности, также включают кристаллические микрорезонаторы [2] и интегрированные фотонные платформы, такие как волноводные резонаторы, изготовленные из нитрида кремния . [3] Более поздние исследования еще больше расширили диапазон доступных платформ, которые теперь включают алмаз , [4] нитрид алюминия , [5] ниобат лития , [6] и, для длин волн накачки среднего инфракрасного диапазона, кремний . [7]
Поскольку оба используют нелинейные эффекты среды распространения, физика керровских частотных гребенок и генерации суперконтинуума импульсными лазерами очень похожа. В дополнение к нелинейности, хроматическая дисперсия среды также играет решающую роль для этих систем. В результате взаимодействия нелинейности и дисперсии могут образовываться солитоны . Наиболее подходящим типом солитонов для генерации керровских частотных гребенок являются яркие диссипативные резонаторные солитоны, [8] [9], которые иногда также называют диссипативными керровскими солитонами (DKS). Эти яркие солитоны помогли значительно продвинуться в области керровских частотных гребенок, поскольку они обеспечивают способ генерации сверхкоротких импульсов, которые, в свою очередь, представляют собой когерентную широкополосную оптическую частотную гребенку, более надежным способом, чем это было возможно ранее.
В простейшей форме, с учетом только нелинейности Керра и дисперсии второго порядка, физика частотных гребенок Керра и диссипативных солитонов может быть хорошо описана уравнением Лугиато–Лефевра . [10] Другие эффекты, такие как эффект Рамана [11] и эффекты дисперсии более высокого порядка, требуют дополнительных членов в уравнении.