Šis projekts ir vērsts uz čipa veidota optiskās frekvenču ķemmes gaismas avota izveidi, kas ir inovatīvs risinājums. Optiskās frekvenču ķemmes (angl. optical frequency comb (OFC)) izveide, izmantojot optisko čipu platformu (tā saukto fotonisko integrālo shēmu (angl. photonic integrated circuit (PIC)) jeb integrēto optisko fotoniku), ir nozīmīgs tehnoloģisks sasniegums, kas ietver miniaturizāciju, rentabilitātītes paaugstināšanu un uzlabotu veiktspēju. Uz čipa integrētā fotonika nodrošina nākamo tehnoloģisko risinājuma soli fotonikā, sniedzot precīzus un efektīvus frekvences mērījumus kompaktā formā. Šis jauninājums nodrošina inovatīvus risinājumus tādās jomās kā telekomunikācijas, kur tas var ievērojami uzlabot šķiedru optisko sakaru sistēmu pārraides ātrumu kanālā, nodrošinot energoefektīvu un spektrāli efektīvu sistēmas arhitektūru, kā arī vides monitoringā un medicīniskajā diagnostikā, kur fiziskajiem iekārtas izmēriem (mikrometru skalā) ir liela nozīme. Turklāt uz optiskā čipa veidotam OFC gaismas avotam ir potenciāls integrācijai ar citiem fotoniskajiem elementiem, kas paver jaunas iespējas uzlabotā skaitļošanā un signālu apstrādē. Uz optiskā čipa veidotā OFC nodrošinātās iespējas, kā arī to zemās enerģijas prasības, viennozīmīgi izvirza šo inovatīvo tehnoloģijas risinājumu zinātniskās pētniecības un komerciālo lietojumu priekšgalā.

Projektā tiek paredzēts izpētīt un ieviest OFC risinājumu, kura pamatā ir toroidāls mikrorezonators, līdz ar to tiek veikta progresīvas pieejas izstrāde un jauninājuma ieviešana integrētās fotonikas jomā. Primārais projekta mērķis ir izmantot mikrorezonatoru unikālās īpašības, lai izveidotu stabilu un efektīvu OFC gaismas avotu uz optiskā čipa. Konkrētais projektā paredzētais tehnoloģiskais risinājums sakrīt ar plašākiem pasaules mērogā izvirzītajiem mērķiem, proti, virzīt uz priekšu minituarizētas integrētas fotonikas sistēmas attīstību plašiem lietojumu scenārijiem, kā, piemēram, meteoroloģijā, telekomunikācijās un optisko frekvenču sintēzē.

Šī projekta “Uz čipa veidots optiskās frekvenču ķemmes gaismas avots (CHIP-comb)” galvenais mērķis ir izstrādāt energoefektīvu uz optiskā čipa veidotu toroidālo čukstošās galerijas modu (angl. whispering gallery mode (WGM)) augsta Q faktora mikrorezonatoru kā jaunu gaismas avotu plašam lietojumu klāstam. Tas paredz izveidot mikrolāzera optisko čipu, kura pamatā ir WGM mikrorezonatori, t.i. pārskaņojamai OFC ģenerēšanai. Primāri, tiek plānota uz čipa veidota toroidāla mikrorezonatora projektēšana un izstrāde. Rezultātā tiks izstrādāts izmaksu efektīvs WGM mikrolāzers stabilu un pārskaņojamu (optisko harmoniku) nepārtrauktu viļņu (angl. continuous wavelenght (CW)) ģenerēšanai optiskajā C-joslā (1530–1565 nm) un plašākā optiskajā diapazonā.

Potenciāli ekonomiski izdevīgākais risinājums OFC ģenerēšanai ir, izmantojot mikrorezonatoru, kas tiek realizēts kā augstas kvalitātes (augsts Q faktors) optiskais rezonators ar Kerra (angl. John Kerr) nelinearitāti, pumpēšanai izmantojot vienu nepārtraukta viļņa CW lāzera gaismas avotu. Kad ir izpildīti optimālie nosacījumi, pumpējošā gaismas avota fotoni tiek pārdalīti, izmantojot četru viļņu mijiedarbību (angl. four-wave mixing(FWM)) blakus esošajās modās, tādējādi izveidojot tā saukto Kerra OFC. Pumpējošā avota optiskais signāls tiek ievadīts Kerra-OFC mikrorezonatorā caur patievināto optisko šķiedru, un šīs patievinātās šķiedras izvadā tiek ģenerēta OFC. Turklāt Kerra OFC ir konceptuāli vienkārši un strukturāli izturīgi OFC ģeneratori ar ļoti kompaktu izmēru. Kerra OFC mikrorezonators var sasniegt simtiem nanometru joslas platumu, kas aptver vairākas  (piemēram, E -, S-, C- un L-) telekomunikāciju joslas (saskaņā ar ITU-T G. 694.1 rekomendāciju).

Projekta pētniecības kategorija ir klasificējama kā rūpnieciskie pētījumi ar eksperimentālo izstrādi. Atbilstoši projekta laikā plānots izstrādāt energoefektīvu uz optiskā čipa veidotu WGM toroidālo augsta Q faktora mikrorezonatoru kā jaunu gaismas avotu un validēt to ātrgaitas šķiedru optiskās sakaru sistēmu infrastruktūrā (sasniedzot TRL6 līmeni). Sekojoši tiks demonstrēts izstrādātais mikrorezonators uz optiskā čipa (mikrolāzers), un ģenerētā OFC kā C-joslas gaismas avots datu pārraidei vienmodas optiskās šķiedras (SMF) sakaru sistēmas risinājumos.

Galvenās projekta aktivitātes:

1. Dizains un optimizācija: Izstrādāt detalizētu toroidāla mikrorezonatora uz optiskā čipa dizainu, ņemot vērā tādus faktorus kā ģeometrija, materiāla īpašības un savienošanas mehānismi. Izmantot matemātiskās modelēšanas rīkus, lai optimizētu mikrorezonatoru efektīvai OFC ģenerēšanai;
2. Izstrāde: Izveidot toroīdāla mikrorezonatora platformu, t.i. optisko čipu. Nodrošināt precīzu ražošanas procesu, lai sasniegtu nepieciešamās optiskās īpašības;
3. Testēšana: Izstrādāt mikrorezonatora un patievinātās optiskās šķiedras saturošo savienošanas sistēmu, un veikt eksperimentālu pārbaudi, lai noteiktu tās veiktspēju. Šīs darbības ietvaros tiek iekļauta toroidālā mikrorezonatora radītās OFC raksturošana un tās stabilitātes, brīvā spektra apgabala (angl. free spectral range (FSR)) un koherences īpašību novērtēšana;
4. Datu analīze: Veikt eksperimentāli uzņemto datu analīzi, lai novērtētu toroidālā mikrorezonatora efektivitāti OFC ģenerēšanā. Salīdzināt eksperimentāli uzņemtos un matemātiskās modelēšanas rezultātus, lai veiktu turpmāku optimizāciju;
5. Eksperimentālā validācija: Uz čipa veidota toroidāla WGM augsta Q faktora mikrorezonatora kā gaismas avota izstrāde, tā izolēšana no ārējās vides ietekmējošiem faktoriem (iepakošana). Izstrādātā uz optiskā čipa veidotā OFC gaismas avota prototipa validācija ātrgaitas šķiedru optiskās sakaru sistēmas infrastruktūrā.

Plānotie projekta rezultāti:

Projekta mērķis ir demonstrēt veiksmīgu OFC ģenerēšanu no toroidāla mikrorezonatora, tādējādi demonstrējot tā potenciālu kā uz optiskā čipa integrētai fotonikas ierīcei. Plānotie rezultāti ietver visaptverošu ķemmes īpašību analīzi, piemēram, ķemmes atstatumu FSR, spektrālo joslas platumu un koherenci, uzsverot šīs pieejas priekšrocības. Paredzams, ka šī projekta ietvaros tiks veikta rezultātu izplatīšana jeb zināšanu pārnese gan zinātniskā vidē, gan plašākai auditorijai (sabiedrībai kopumā), izveidojot vismaz 1 zinātnisku publikāciju vai patentu (AS ALFA RPAR un RTU pētnieku kopdarbs). Galvenais uzsvars ir uz augsta līmeņa zinātniskajiem žurnāliem vai pasaules līmeņa atzītām konferencēm. Lūdzu skatīt plašāku projekta rezultātu aprakstu 9. tabulā.

Projekta galvenie izvirzītie mērķi:

1. Jauna virziena izveide, jaunas inovatīvas produkta līnijas izveide AS ALFA RPAR ražošanā;
2. Prototipa (fotoniskās integrālās shēmas – PIC) izveide un izpēte, kas ietver uz optiskā čipa integrētu WGM toroidālo mikrorezonatoru ar augstu Q faktoru;
3. Ilgtermiņa vīzija ir inovatīvu PIC produktu un fotonisko moduļu saimes (optiskie čipi), kas var palielināt AS ALFA RPAR ražošanas izveidi, izmantojot augsta līmeņa tehnoloģiju eksportu.
4. Veicināt akadēmiskās un zinātniskās sabiedrības izpratni par OFC gaismas avotiem uz optiskā čipa, sadarbību ar nozari, attīstīt integrētās fotonikas jomu Latvijā.