Физики из МГУ опубликовали статью в журнале Nature Physics, описав метод, который позволяет гарантированно формировать один оптический импульс, распространяющийся по кругу в резонаторе. Среди многих потенциальных применений такого метода — измерения состава газов спектроскопическим методом в среднем инфракрасном диапазоне и повышение стабильности генераторов, нужное, например, для приемников GPS.
Ученые физического факультета МГУ под руководством профессора Михаила Городецкого в содружестве с коллегами из Швейцарии из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством профессора Тобиаса Киппенберга разработали метод, позволяющий точно контролировать число оптических солитонов в микрорезонаторах, на которых основана современная фотоника. Фотоника — динамично развивающаяся область современной физики. Одним из основных структурных элементов, на котором строится фотоника, является микрорезонатор. Резонатор является неотъемлемым элементом почти всех сложных оптических и микроволновых приборов. По сути, резонатор — это кольцевая ловушка для света, попав в которую, фотон движется по кругу, отражаясь от стенок. Сегодня микрорезонаторы применяются для стабилизации лазеров и в оптических фильтрах.
В своей работе, результаты которой опубликованы в журнале Nature Physics, ученые пытались решить задачу стабильной генерации оптических импульсов в резонаторах, иначе говоря, сделать так, чтобы каждый запущенный в него импульс (солитон) мог существовать долго. Второй целью эксперимента было создание условий, при которых число движущихся в резонаторе импульсов-солитонов легко можно было снизить до единицы. При этом спектр выходящего излучения имеет вид сверхстабильной оптической гребенки, которая может служить очень точной линейкой для оптических спектров.
«Импульсы должны жить долго, и импульс должен быть один, а не несколько. Потому что, когда импульс один, он имеет самый широкий спектр, так называемую гребенку, и его наиболее просто использовать для различных применений, например, в спектроскопии», — рассказал соавтор работы, аспирант физического факультета Григорий Лихачев.
В своей работе ученые рассматривали свойства двух оптических резонаторов. Первый тип изготовлен из оптического кристалла, фторида магния MgF2, второй был выполнен из нитрида кремния Si3N4 на чипе-подложке, имеющей толщину всего 1 микрон.
Для запуска света в резонатор использовался лазер, свойства импульсов внутри резонатора измерялись на выходе спектрометром.
В ходе эксперимента был продемонстрирован метод, который позволяет гарантированно формировать один импульс, распространяющийся по кругу в резонаторе. В случае успеха эксперимента физики ожидали увидеть ровную спектральную гребенку — отличительный признак солитона. Кроме того, ученые в статье продемонстрировали разработанный ими новый очень эффективный метод наблюдения за жизнью солитонов в реальном времени, добавив к входному сигналу слабую фазовую модуляцию и регистрируя отклик на это возмущение. Этот подход открывает новые возможности для поддержания и стабилизации гребенок.
«Успехом эксперимента стало получение гарантированного односолитонного режима. Ведь у одного солитона спектр чище, и его легче измерять», — пояснил Лихачев.
Разработанная методика позволяет возбуждать в резонаторе некоторое неизвестное большое число солитонов, после чего сокращать их число последовательно на единицу, в итоге доводя число импульсов до единицы. Убирать один за другим лишние солитоны можно, фактически изменяя лишь частоту лазера, которым накачивается резонатор, подчеркивают ученые.
Оптическая гребенка — основа метода прецизионной лазерной спектроскопии, за которую в 2005 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Научившись генерировать отдельные устойчивые солитоны внутри оптических резонаторов, физики могут использовать их в целом ряде задач, имеющих множество прикладных значений — от астрономии до сверхточных датчиков, например, когда необходимо измерить спектр неизвестного вещества. Используя два одинаковых оптических солитона и накладывая друг на друга их гребенки, ученые могут измерять оптические частоты, которые в силу их величины (порядка 200 терагерц, то есть с длиной волны 1500 нм) напрямую измерять сложно.
«Расстояние между зубьями двух гребенок меньше расстояния между зубьями отдельных гребенок, и если вы возьмете их разницу, то фактически можете измерять низкие частоты, которые попадают в радиодиапазон и вполне могут быть измерены современной электроникой», — пояснил Лихачев.
Потенциальное применение такого метода — измерения состава газа спектроскопическим методом в среднем инфракрасном диапазоне. Направив два оптических солитона в исследуемый газ по обычному оптическому волокну, на выходе в их спектре можно зафиксировать провалы, связанные с определенными линиями поглощения.
Использование двух солитонов позволяет измерять частоты не в оптическом диапазоне, в котором существующими способами это делается медленно, а в области радиоволн. Если измерение частот в оптическом спектрометре занимает секунды, то в радиодиапазоне время измерения определяется частотой электроники, а значит, составляет миллиардные доли секунды.