В МГУ научились уничтожать лишние солитоны

Российские учёные под руководством профессора Михаила Городецкого из Российского квантового центра совместно с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) разработали метод, позволяющий ликвидировать лишние оптические солитоны (устойчивые одиночные световые импульсы) в микрорезонаторах. Микрорезонатор — основа почти всех современных сложных оптических и микроволновых приборов. Поэтому его совершенствование способно продвинуть вперёд множество областей: от измерения состава газов до повышения стабильности работы приёмников GPS. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature Physics.

Микрорезонатор — это кольцевая ловушка для света, попав в которую, фотон движется по кругу, отражаясь от зеркальных стенок. Сегодня микрорезонаторы широко применяются для стабилизации лазеров и в оптических фильтрах. Однако во многих существующих резонаторах есть неустранимая проблема: неизвестное число солитонов. Оптический солитон — одиночная световая волна (фотон), распространяющаяся внутри микрорезонатора. Часто в резонаторе одновременно существует больше одного солитона. Считывающая их показатели аппаратура от этого серьёзно страдает. Ведь спектры множества солитонов неизбежно мешают друг другу: они влияют на считываемые с микрорезонатора показания, что затрудняет точные измерения.

Чтобы решить проблему, физики провели серию экспериментов. В них в оптических резонаторах использовали два материала: оптический кристалл фторида магния MgF2 и нитрид кремния Si3N4 на чипе-подложке толщиной в 1 микрон. Для запуска света в резонатор использовали лазер, а свойства импульсов внутри резонатора измеряли на выходе спектрометром. В ходе эксперимента удалось продемонстрировать новый метод, который позволяет гарантированно формировать для запуска в резонатор всего один импульс.

Кроме того, учёные продемонстрировали разработанный ими новый эффективный способ наблюдения за жизнью солитонов в реальном времени. Для этого они добавили к входному сигналу (солитону) слабую фазовую модуляцию (изменения волны по фазе) и затем регистрировали отклик на это возмущение волны. Данный подход открывает новые возможности для поддержания и стабилизации гребёнок. Гребёнкой называют широкий спектр одиночного солитона за его форму.

Разработанная методика позволила возбуждать в резонаторе вначале некое неизвестное число солитонов, а затем сокращать их число на единицу за раз. В итоге многократных повторений этой процедуры число солитонов в резонаторе доводили до одного. Учёные подчёркивают, что убирать один за другим лишние солитоны можно одним лишь изменением частоты лазера, которым накачивается резонатор.

Оптическая гребёнка — основа метода сверхвысокоточной 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 для очень разных задач: от астрономии до сверхточных датчиков, способных, например, измерить спектр неизвестного вещества.

Используя два одинаковых оптических солитона и накладывая друг на друга их гребёнки, учёные 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 наложенных друг на друга гребёнок меньше расстояния между зубьями отдельных гребёнок. Если учесть разницу этих расстояний, то можно измерять низкие частоты, которые попадают в радиодиапазон и вполне могут быть отслежены с помощью современной электроники. Возможность измерения в радиочастотах резко повысит скорость работы подобных устройств, ведь современная электроника лучше всего работает как раз в таком диапазоне частот.