Солитоны находят новое применение в телекоммуникациях

Развитие электроники и коммуникаций требует аппаратной базы, способной обеспечивать повышенные точность, производительность и эргономичность. Для навигационных спутников, в частности, большое значение имеет уменьшение массы и увеличение стабильности сигнала.

В прошлом году исследователи из Московского Государственного Университета (МГУ) совместно со швейцарскими коллегами добились некоторого прогресса в этой области. В статье, опубликованной в Nature Photonics, демонстрировалось, что главный источник шума в микрорезонаторных оптических частотных гребенках (широкополосный сигнал из узких спектральных линий с равными промежутками между ними) связан с механизмами нелинейной генерации гармоник и, что, в принципе, не существует фундаментальных препятствий для уменьшения этого шума.

Новая статья, появившаяся в том же издании 22 декабря, расширяет и дополняет прошлогодние достижения. Один из ее авторов, Михаил Городецкий, профессор физфака МГУ и сотрудник Российского Квантового Центра в Сколково, считает, что итогов у данной работы, по меньшей мере, три: найден способ генерировать устойчивые фемтосекундные импульсы, оптические гребенки и микроволновые сигналы.

Физики использовали микрорезонатор (в данном конкретном случае — диск миллиметрового диаметра из флюорита магния) для преобразования лазерного излучения с непрерывным спектром в периодические импульсы чрезвычайно малой длительности.

Наиболее известным аналогом подобного устройства является фемтосекундный лазер с синхронизированными модами. В отличие от подобного лазера, по словам Городецкого, являющегося весьма сложным прибором, в предложенном ими варианте стабильные импульсы генерируются непосредственно в пассивном оптическом резонаторе за счет его собственной нелинейности. Это позволит в будущем значительно уменьшить габариты устройства, широко применяемого в различных отраслях: от анализа химических реакций до микрохирургии глаза.

Короткие импульсы, получаемые в микрорезонаторе, являются так называемыми оптическими солитонами (устойчивые локализованные волновые пакеты, распространяющиеся в нелинейных средах подобно квазичастицам). «Можно создать одиночный стабильный солитон, циркулирующий внутри микрорезонатора. Тогда на выходе, в оптоволокне, можно получить серию импульсов с периодом, соответствующим времени циркуляции солитона», — поясняет Городецкий.

Полученные импульсы имели длительность от 100 до 200 фемтосекунд, но авторы уверены, что ее вполне возможно еще более сократить. Они считают, что это достижение позволит конструировать новое поколение компактных, стабильных и недорогих оптических генераторов, работающих в недостижимых для прочих устройств режимах.

Как показали ученые, микроволновые сигналы, генерируемые такими гребенками на фотодетекторах, имеют особенно низкий уровень фазового шума. Подобные малошумящие генераторы крайне важны для современных технологий: они применяются в метрологии, радиолокации, телекоммуникационном оборудовании, включая спутниковую связь, а также в широкополосной спектроскопии и астрономии.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI