«Оптическую гребёнку» можно создать с помощью одиночного солитона в микрорезонаторе.

Российские физики, представляющие физический факультет МГУ и Российский квантовый центр, совместно со швейцарскими физиками из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали метод, который позволяет точно контролировать число генерируемых оптических солитонов в микрорезонаторах – вплоть до того, что мы можем создать только один солитон. При этом формируется достаточно широко используемое на практике излучение с частотным спектром, называемым «гребенкой». Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.

Иллюстрация принципа спектроскопии с помощью двух гребенок. Два набора частых полос с малым расстоянием между ними при наложении друг на друга дают картину жирных наклонных полос со значительно большим расстоянием между ними.

Схема генерации «гребенки». На входе в кольцевой резонатор постоянное лазерное излучение одной частоты (). На выходе получаются солитоны (верхний график), спектр которых представляет собой гребенку (нижний график).

Любой сигнал представляет собой сумму синусоидальных составляющих с разными частотами. Их совокупность называется спектром сигнала. Изобразить частотный спектр можно, отложив частоты составляющих на горизонтальной оси и построив на них вертикальные линии, высота которых равна амплитуде синусоид. «Гребенкой» называют сигналы, частотный спектр которых представляет собой набор линий, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга.

Подобные сигналы в оптическом диапазоне удалось получить в конце 1990-х годов, а в 2005 году их создатели Теодор Хэнш и Джон Холл получили Нобелевскую премию. Впоследствии оптические гребенки, которые могут служить очень точной линейкой для измерения спектров, нашли применение в сверхточной спектроскопии и других областях науки. Однако используемые для формирования гребенок лазерные устройства достаточно сложны и громоздки. Решить инструментальную проблему можно с помощью солитонов, которые не только уменьшают размеры, сложность и стоимость оборудования, но и расширяет его возможности.

Солитоном называют уединенную волну, образующуюся в так называемых нелинейных средах. В оптике это световой импульс. Авторы работы формировали солитоны в резонаторах, представляющие собой кольцевую ловушку для света, попав в которую фотон движется по кругу, отражаясь от стенок. Для запуска света в резонатор использовали лазер. Физики рассматривали свойства двух оптических резонаторов: один – из кристалла фторида магния MgF₂, второй – из нитрида кремния Si₃N₄ на чипе-подложке толщиной всего 1 микрон.

Здесь необходимо было решить две задачи. Во-первых, добиться стабильной генерации солитонов в резонаторе, иначе говоря, сделать так, чтобы каждый запущенный в него оптический импульс (солитон) существовал долго. (Короткоживущий импульс с практической точки зрения бесполезен.) Во-вторых, создать условия, при которых число движущихся в резонаторе импульсов-солитонов легко можно было снизить до единицы. При этом спектр выходящего излучения должен иметь вид чистой сверхстабильной оптической гребенки. Разработанный метод позволяет возбуждать в резонаторе несколько солитонов, после чего можно сокращать их число последовательно на единицу, в итоге доводя число импульсов до одного-единственного. Причем, как подчеркивают авторы, убирать один за другим лишние солитоны можно, фактически изменяя лишь частоту лазера, которым накачивается резонатор.

Кроме того, удалось разработать новый и очень эффективный метод наблюдения за жизнью солитонов в реальном времени, добавив к входному сигналу слабую фазовую модуляцию и регистрируя отклик на это возмущение. Такой подход открывает новые возможности для поддержания и стабилизации гребенок.

У гребенок, как мы сказали выше, есть множество прикладных применений — от астрономии до сверхточных датчиков. Среди потенциальных прикладных перспектив «гребёночного» метода — измерения состава газов спектроскопическим методом в среднем инфракрасном диапазоне и повышение стабильности генераторов, в котором, например, нуждаются приемники GPS.

Важную роль гребенки играют в точном измерении оптических частот, которые в силу их величины (порядка 200 терагерц, длина волны 1500 нм) напрямую измерять сложно. Для решения этой задачи накладывают друг на друга гребенки от двух одинаковых оптических солитонов. Расстояние между линиями от разных гребенок получается меньше расстояния между линиями каждой из гребенок. Поэтому если взять их разницу, то получим низкие частоты, которые попадают в радиодиапазон и вполне могут быть измерены современной электроникой. А по ним вычисляются и исходные частоты. То есть происходит замена измерений в оптическом диапазоне на измерения в радиодиапазоне.

С помощью двух солитонов можно измерить спектроскопическим методом в среднем инфракрасном диапазоне состав газа. Направив два оптических солитона в газ по обычному оптическому волокну, на выходе в их спектре можно зафиксировать провалы, связанные с определенными линиями поглощения.