Они работают как сверхточные линейки для измерения времени и частоты, и без них уже не обходятся лидары, скоростная оптическая связь и космическая навигация. Обычно такие системы громоздкие и требуют лабораторных условий, но теперь ученые создали миниатюрные аналоги — солитонные микрогребенки, генерирующие сверхкороткие световые импульсы в микрорезонаторах.

Главная проблема таких устройств — джиттер (дрожание) импульсов. Это микроскопические сбои в их временной стабильности, вызванные внешними помехами или внутренними колебаниями. Даже крошечные отклонения снижают точность измерений. Например, в лидарах это может искажать данные о расстоянии, а в передаче данных — портить сигнал.

Международная группа ученых нашла решение, разработав новую платформу на основе кремниевых нитридных (Si₃N₄) микрорезонаторов с управляемой дисперсией. Их ключевое преимущество — подавление так называемых «избегаемых пересечений мод» (AMX), которые обычно мешают стабильной работе.

Результаты опубликованы в издании Advanced Photonics Nexus.

Как это сделали

• На кремниевую подложку нанесли слой диоксида кремния (3 мкм), затем — нитрида кремния (800 нм).
• С помощью литографии создали кольцевой резонатор и покрыли его защитным оксидным слоем.

Исследователи протестировали микрогребенку в разных режимах: с одним солитоном, несколькими и в виде солитонного кристалла. Самый чистый сигнал дал одиночный солитон — уровень шума достиг −153,2 дБ/Гц, а джиттер составил всего 1,7 фемтосекунды (в диапазоне 10 кГц – 1 МГц). Даже при расширении диапазона до 44,5 ГГц джиттер не превысил 32,3 фс.

Впервые удалось добиться фемтосекундного джиттера в микрогребенках с управляемой дисперсией, — говорит Вэньчжэн Лю, руководитель исследования.

Главный источник шума на низких частотах — флуктуации мощности внутри резонатора. Устранение этой помехи в будущем может снизить джиттер до субфемтосекундных значений.

В таких системах почти нет смещения центральной частоты, что предотвращает дополнительные шумы. Следующий шаг — изучить влияние дисперсии высокого порядка на стабильность, — добавляет профессор UCLA Чи Вей Вонг.

Этот прорыв открывает путь к компактным и сверхточным системам для квантовых измерений, космической навигации и скоростных сетей.

Этот прорыв решает две ключевые проблемы:

• Миниатюризация — теперь прецизионные системы можно встраивать в чипы, а не таскать громоздкие лазеры.
• Стабильность — фемтосекундный джиттер делает измерения в лидарах и передачу данных надежнее.
• Гибкость — управляемая дисперсия позволяет настраивать систему под конкретные задачи, от телекома до квантовых вычислений.

Пока исследование проводилось в контролируемых условиях. В реальном мире на резонаторы могут влиять перепады температур, вибрации и другие внешние факторы. Нужны испытания «в поле».

Ранее ученые сравнили квантовую механику с игрой в кости.