Verstärkungskonkurrenz zwischen optischem Kerr-Kamm und induzierter Raman-Streuung in Mikrokavitäten aus Siliziumdioxid.

Vierwellenmischung und induzierte Raman-Streuung sind eine Art nichtlinearer optischer Effekt dritter Ordnung und werden häufig in mikrooptischen Resonatoren beobachtet, wo die Lichtdichte pro Volumeneinheit zunimmt. Sie können als "Prozesse, die Licht in neuen Wellenlängen erzeugen" unter Bedingungen betrachtet werden, die dem Energieerhaltungssatz genügen. Induzierte Raman-Streuung ist ein Phänomen, bei dem durch Resonanz (Streuung) zwischen Pumplicht und den Eigenschwingungen der Moleküle eines Materials neue Lichtwellenlängen erzeugt werden. Quarzglas, das Material des in dieser Studie verwendeten Resonators, hat bekanntermaßen eine Raman-Verstärkung über ein sehr breites Wellenlängenband, was bedeutet, dass Licht verschiedener Wellenlängen erzeugt werden kann. Die Vier-Wellen-Mischung hingegen ist ein Phänomen, bei dem zwei neue Photonen mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden, wenn ein Pumplicht mit einer einzigen Wellenlänge eingespeist wird. Das auf diese Weise erzeugte Licht hat eine gute Monochromatizität und Richtcharakteristik und soll daher als optische Frequenzkamm-Lichtquelle auf Chip-Ebene eingesetzt werden.

In dieser Studie wurde die Verstärkungskonkurrenz zwischen Vierwellenmischung und induzierter Raman-Streuung, die in mikrooptischen Resonatoren aus Siliziumdioxid auftritt, theoretisch vorhergesagt und experimentell beobachtet. Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der Vierwellenmischung und der induzierten Raman-Streuung um völlig unterschiedliche physikalische Phänomene, aber da beide von demselben Pumplicht ausgehen, blieb die Frage offen, welches die dominante und bevorzugte Quelle ist. Der Schlüssel zur Lösung lag in der Analyse des "Gewinns". Durch den Vergleich der Leichtigkeit der Erzeugung (=Gewinn) von Vier-Wellen-Mischung und induzierter Raman-Streuung mittels theoretischer Analyse haben wir entdeckt, dass es Bedingungen gibt, unter denen Vier-Wellen-Mischung und induzierte Raman-Streuung selektiv erzielt werden können.
Die folgenden Abbildungen zeigen die experimentellen Ergebnisse der dynamischen Zustandsänderungen bei 1-FSR (Modus neben der Pumpe), induzierter Raman-Streuung und 2-FSR (Modus neben der Pumpe) durch Feinabstimmung der Laserwellenlänge. Die Ergebnisse stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein und offenbaren einen Mechanismus, der zwar beobachtet, aber nicht wirklich verstanden wurde. Diese Ergebnisse dürften wichtige Erkenntnisse für künftige Anwendungen von optischen Kercomb- und Raman-Lasern liefern.