Лазер причесали фемтогребенкой

Телекоммуникации будут выведены на новый уровень благодаря разработке ученых из МГУ и сколковского Российского квантового центра, сделанной совместно с зарубежными коллегами: им удалось совершить прорыв в создании компактных, устойчиво работающих оптических устройств для генерации стабильных сверхкоротких импульсов лазерного излучения.

Развитие электроники и средств коммуникаций требует от приборной базы все большей точности, эргономичности и пропускной способности. Так, для спутников связи и GPS-навигации весьма важно уменьшение массы полезного оборудования и снижение помех, а также обеспечение стабильности сигнала.

В прошлом году ученые МГУ совместно со швейцарскими коллегами провели работу, способную послужить этим целям. Тогда исследователям удалось показать, что причина, по которой в оптических «гребенках» (широкий спектр из большого числа равноудаленных узких линий) возникают шумы, кроется в нелинейных процессах генерации, а не в термодинамических шумах. Тогда впервые было установлено, что помехи не вызваны какими-то фундаментальными ограничениями и с ними можно бороться. Соответствующая работа была опубликована в Nature Photonics.

В ночь на 23 декабря по московскому времени в этом же журнале опубликована новая статья о том, как ученые развивают и расширяют свой успех.

По словам одного из авторов работы, профессора физического факультета МГУ и сотрудника Российского квантового центра в Сколкове Михаила Городецкого, в исследовании фактически получены сразу три важных результата: учеными разработан метод генерации стабильных фемтосекундных (порядка 10–15 сек) импульсов, оптических «гребенок» и СВЧ-частот.

Ученым с помощью микрорезонатора (в данном случае — миллиметровый диск из кристалла фторида магния, в котором можно возбуждать закольцованные, т.е. движущиеся по замкнутой траектории, электромагнитные колебания) удалось превратить непрерывное излучение лазера в периодические сверхкороткие импульсы. Известными устройствами, работающими в таком режиме, являются фемтосекундные лазеры, у которых с огромной частотой генерируются короткие, длительностью, сравнимой с 10–15 секунд, импульсы высокой мощности.

Без них немыслимы современные спектроскопические методы исследования вещества и телекоммуникации, и даже современная офтальмология, в которой фемтолазеры используются для проведения операций на глазах.

«В лазерах с синхронизацией мод для генерации импульсов используются сложные оптические устройства, среды и специальные зеркала. Мы же смогли получить такие стабильные импульсы в простом пассивном резонаторе, используя только собственную нелинейность кристалла», — говорит Городецкий. Это позволяет в перспективе резко уменьшить объем всего устройства.

Генерируемые в микрорезонаторе короткие импульсы представляют собой так называемые оптические солитоны (солитон — это устойчивая частицеподобная волна, распространяющаяся в нелинейной среде; пример солитона в природе — цунами). «Мы можем генерировать одиночный стабильный солитон, который бежит внутри микрорезонатора по кругу. При этом в выходном оптоволокне получаются импульсы, следующие друг за другом через время одного оборота».

Длительность подобных импульсов 100–200 фемтосекунд, но авторы уверены, что реально достичь значительно более коротких солитонов.

Они полагают, что их новация открывает возможность создания компактных, стабильных и дешевых генераторов коротких оптических импульсов в режимах, недостижимых другими методами. Такие импульсы на спектральном языке представляют собой так называемые оптические «гребенки», которые произвели революцию в метрологии и спектроскопии и были удостоены Нобелевской премии 2005 года (ее получили американец Джон Холл и немец Теодор Хэнш «за вклад в развитие лазерной прецизионной спектроскопии, включая технику оптических гребенок»).

Существующие генераторы гребенок имеют значительно большие размеры.

Одновременно, как показали исследователи, электрический сигнал от такой гребенки представляет собой очень чистый СВЧ-сигнал с низким уровнем шумов. Сверхмалошумящие компактные СВЧ-генераторы играют огромную роль в современных технологиях; они используются в метрологии, радиолокации, телекоммуникационном оборудовании, в том числе на спутниках.

Авторы работы отмечают, что их результаты критичны для развития таких направлений, как широкополосная спектроскопия, телекоммуникации, радиолокация и астрономия.