Учёные из МГУ упаковали лазерную установку в чип

Профессор Михаил Городецкий

Фемтосекундные оптические гребёнки — сравнительно недавнее изобретение. В самом конце прошлого века их впервые научились генерировать два физика: Теодор Хэнш из Германии и Джон Холл из США. Потребность в таких гребёнках была осознана сразу же. Они стали настолько незаменимыми в самых разных областях (системах телекоммуникации, GPS, лазерной спектроскопии, астрофизике, офтальмологии), что уже в 2005 году их авторы были удостоены Нобелевской премии. Это само по себе необычно, потому что шведы предпочитают отмечать «устоявшиеся» научные достижения, совершённые несколько десятилетий назад.

Для генерации фемтосекундных «гребёнок» Хенш и Холл использовали лазер с синхронизацией мод. В переводе на обычный язык это лазер, который излучает свет не одной частоты, а сразу несколько «мод» — световых лучей с кратными частотами. Если эти моды синхронизировать — сделать так, чтобы их фазы были жёстко связаны между собой, то непрерывный луч лазера превратится в последовательность импульсов со спектром «гребёнки».

В 2007 году оказалось, что гребёнки можно получать намного проще и с помощью намного более компактных генераторов. В лаборатории Тобиаса Киппенберга (бывшего сотрудника Хэнша, работающего сейчас в Федеральной политехнической школе Лозанны (Швейцария)) было доказано, что подобные гребёнки можно получать с помощью микрорезонаторов из плавленого кварца, открытых, кстати, в МГУ. Появилась возможность на порядки уменьшить размеры устройств, генерирующих гребёнки.

— Правда, эта возможность была пока только теоретической, — говорит один из соавторов статьи в Science, профессор физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Михаил Городецкий. — Гребёнки, полученные в Лозанне, были очень далеки от идеала. Они получались шумными и нестабильными (походили на расчёски с выломанными, да ещё вдобавок ползающими туда-сюда зубьями), и учёным предстояло решить массу проблем, чтобы получить нужный результат. Мы давно сотрудничаем с лабораторией профессора Киппенберга, и в начале 2013-го года нам с швейцарскими коллегами удалось решить проблему шумов, а к концу того же года — получить чистый сигнал из импульсов-гребёнок длительностью 100-200 фемтосекунд.

Оптическая частотная гребёнка. Фото — «Элементы»

Для создания таких гребёнок физики МГУ и Российского квантового центра предложили использовать «солитоны» — компактно упакованные волны, своеобразные электромагнитные цунами, которые ведут себя как частицы. По развитой в МГУ теории, облучение дисков из нелинейных сред лазерным светом порождает в этих дисках движущиеся по кругу солитоны. В результате на выходе связанного с диском оптоволокна возникает последовательность импульсов, следующих друг за другом через время одного обхода солитоном окружности диска.

В этом году российско-швейцарская команда закрепила успех и научилась просто напылять специальные микрорезонаторы для гребёнок в чипах.

— Разница, конечно, огромная, — говорит профессор Городецкий. — Если в лазерах с синхронизацией мод для генерации импульсов используются сложные оптические устройства, среды и специальные зеркала, то мы получаем такие же стабильные импульсы в простом пассивном резонаторе, внедренном в микрочип и имеющем размеры не более 100-200 микрон. При этом длительность импульсов удалось сократить со 100-200 до 30 фемтосекунд.

По словам профессора Городецкого, изобретение не только радикально снижает размеры, сложность и стоимость генераторов гребёнок, но и открывает новые горизонты для их использования.

Фото на главной странице — steal86.livejournal.com