Физики разработали новый метод получения сверхточных оптических линеек

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.

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 соавтор работы, аспирант физического факультета МГУ Григорий 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.