Бесшумные гребёнки для GPS

Ученые из МГУ совместно с европейскими коллегами работают над тем, как сделать GPS-системы более точными

Ученые из МГУ совместно с европейскими коллегами выяснили, из-за чего возникает проблема шумов, которая мешает сделать GPS-системы более точными и развить важные разделы телекоммуникаций и астрофизики.

Многие из изобретений и открытий в фундаментальной физике или астрофизике невозможны без ряда точнейших измерений и устранения даже самых небольших помех GPS-приемников. Важной составляющей GPS-системы наравне со спутниками и собственно приемником является привязка к точным атомным часам. Но и у этих часов накапливаются погрешности — за миллионы лет их отставание от реального времени может достичь одной секунды. А ведь чем такое отставание меньше, тем с большей точностью определяется местоположение объекта на земле.

Сделать такие часы более точными можно, применив так называемые оптические гребёнки — излучение, состоящее из очень большого числа отдельных спектральных линий, равноотстоящих друг от друга на фиксированную СВЧ или радиочастоту. Оптические гребёнки позволяют также увеличить точность многих научно-исследовательских методов, в частности прецизионной лазерной спектроскопии.

Так, в 2005 году американец Джон Холл и немец Теодор Хэнш получили Нобелевскую премию по физике с формулировкой «за вклад в развитие лазерного высокоточного спектроскопирования и техники прецизионного расчета светового сдвига в оптических стандартах частоты».

Весьма перспективными в этом смысле считаются так называемые керровские гребёнки, которые получаются в тех материалах, где проявляется эффект Керра — изменение показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности электрического поля.

«Классические гребёнки генерируют с помощью громоздких систем, основанных на фемтосекундных лазерах, а здесь идея состоит в том, чтобы делать это в очень компактном микрорезонаторе с модами шепчущей галереи», — поясняет профессор кафедры физики колебаний физического факультета МГУ Михаил Городецкий, который работает над проблемой шумов в керровских гребёнках (шепчущая галерея — помещение, обладающее следующей особенностью: шепот в нем хорошо распространяется вдоль стен, но не слышен в остальной части помещения. Шепот, произнесенный вдоль стены, вернется к вам через некоторое время с противоположной стороны, как будто кто-то произнес его, стоя у вас за спиной. Физическая интерпретация эффекта дана Рэлеем в XIX веке. Аналогичный эффект возможен и для электромагнитных волн при их распространении вдоль изогнутой отражающей поверхности).

Интересно, что оптические микрорезонаторы шепчущей галереи были впервые предложены на физическом факультете МГУ в 1989 году.

Если бы керровские гребёнки можно было использовать в телекоммуникациях, калибровке спектрометров астрофизического назначения и прочих высокотехнологичных приложениях, то точность их работы повысилась бы, а стоимость упала. Однако пока это невозможно. Проблема в очень сильных помехах (шумах), возникающих в микрорезонаторах. Помехи возникают, если ширина спектра керровской гребёнки от ее самой высокой частоты до самой низкой достаточно велика, а именно такие гребёнки наиболее интересны для научных и практических приложений. Ученые пытаются устранить шумы, но до недавних пор не была понятна даже их причина.

Ее в своей совместной работе смогли выяснить ученые из России, Германии и Швейцарии; не так давно результаты этой работы опубликованы в авторитетном журнале Nature Photonics.

«Нам удалось показать, что причина в нелинейных процессах генерации, а не, скажем, в термодинамических шумах. То есть помехи не вызваны какими-то фундаментальными ограничениями, и с ними можно бороться», — комментирует Городецкий, один из соавторов работы.

Михаилу Городецкому удалось построить теоретическую модель исследуемых керровских гребёнок, с которой в дальнейшем совпали экспериментальные результаты его коллег. Его идея — применить в эксперименте волоконный кольцевой резонатор — позволила существенно улучшить калибровку системы. А его численная модель далеко продвинула исследование в плане интерпретации экспериментальных результатов и вывела работу на новый уровень. «Удалось предсказать и затем экспериментально подтвердить генерацию солитонов (уединенных локализованных волн) в этой системе, что очень важно для получения фемтосекундных импульсов и стабильных гребёнок», — говорит Городецкий.

Описание модели и результаты эксперимента подытожены в новой статье, которую предполагается опубликовать в Nature. В статье будет представлен способ генерации широких гребёнок с низким уровнем шумов, а также еще один экспериментальный результат, связанный с фемтосекундными импульсами, о котором, по словам ученого, «все давно мечтали». С промежуточными результатами исследований можно ознакомиться на сайте препринтов ArXiv.org.

О своем опыте работы с редакциями журналов Nature и Nature Photonics Михаил Городецкий рассказывает: «С Nature Photonics процесс шел на удивление просто. Надо сказать, что такие журналы предусматривают предварительную ступень работы с редакцией. Если в большинстве журналов редактор исполняет техническую функцию — отправляет статью рецензентам, то здесь редакторы играют роль предварительного фильтра. Они могут сами решать, подойдет статья для журнала или не подойдет, исходя из соображений, будет ли это интересно чуть более широкой публике.

С Nature пока все несколько сложнее.

Рецензенты, по-видимому, оказались из конкурирующей области, связанной с большими фемтосекундными лазерами. Они недопоняли, что мы делаем и в чем отличие нашей системы… Пришлось вступать в переписку с редактором, объяснять ситуацию. Одна рецензия была весьма отрицательной, написана в неподобающих выражениях, очень резко, что не соответствует научным нормам. Пришлось даже написать редактору, что этого рецензента в таковом качестве просто нельзя использовать… Посмотрим, чем все закончится.

Самое главное, что из подобных историй можно заключить: даже если ваша статья отвергнута либо редактором, либо рецензентом, это не значит, что все пропало.

Если вы полностью уверены в своей правоте, считаете, что рецензенты или редакторы неправы, необходимо присылать аргументированные возражения. И тогда велик шанс, что статья будет повторно рассмотрена и что результат будет положительным».