В начале 2000-х годов первый чрезвычайно широкий спектр «суперконтинуума» был продемонстрирован путем спектрального уширения коротких лазерных импульсов в микроструктурированном оптическом волокне. Генерация суперконтинуума находит важные применения в фотонных науках, например, в оптической когерентной томографии, оптической связи или флуоресцентной микроскопии. Генерация суперконтинуума также была ключом к реализации первых частотных гребенок, охватывающих октаву. Спектр частотной гребенки состоит из большого количества дискретных, равномерно расположенных спектральных линий.
Такие частотные гребенки позволяют точно измерять оптические частоты, поскольку они позволяют просто и напрямую сравнивать оптические частоты с радиочастотой атомных часов. В молекулярной спектроскопии все гребенчатые линии могут использоваться одновременно для быстрого измерения сложных широкополосных спектров с высокой чувствительностью.Сегодня частотные гребенки коммерчески доступны в видимом и ближнем инфракрасном спектральных диапазонах.
Однако средняя инфракрасная область спектра (2-20 мкм) все еще развивается. Область содержит сильные фундаментальные колебательные переходы большинства молекул, а также два атмосферных окна пропускания. Поэтому в настоящее время активно развиваются фотонные технологии для этого важного спектрального диапазона. Многие приложения в спектроскопии, материаловедении, безопасности и управлении производственными процессами, а также в химических, биологических и медицинских исследованиях могут напрямую использовать преимущества более эффективных устройств фотоники среднего инфракрасного диапазона.
В частности, новые стратегии генерации гребенки средней инфракрасной области могут принести большую пользу молекулярным наукам. К сожалению, оптические материалы, подходящие для низкопорогового октавного фазово-когерентного спектрального уширения, остаются дефицитными и сложными в разработке.
Команда ученых из MPQ успешно исследовала новый способ создания частотных гребенок среднего инфракрасного диапазона. Ученые использовали CMOS-совместимые кремниевые нанофотонные волноводы на микросхеме кремний-на-изоляторе. Благодаря высокой нелинейности спроектированных с помощью дисперсии проводов, они могли регистрировать фазово-когерентные гребенчатые спектры с охватом октавы (1500-3300 нм). В отличие от предыдущих подходов, волноводы химически устойчивы.
Даже по прошествии нескольких месяцев никаких изменений характеристик спектра суперконтинуума не наблюдается. При дальнейшем развитии системы кремниевая технология может обеспечить рабочую платформу при комнатной температуре для генерации суперконтинуума, более глубокого в средней инфракрасной области, до 8500 нм.
В долгосрочной перспективе такие миниатюрные провода могут стать частью встроенных в кристалл частотно-гребенчатых спектрометров для химического зондирования.