Ett team från fakulteten för fysik vid Lomonosov Moscow State University, tillsammans med forskare från Russian Quantum Center, har utvecklat en ny matematisk modell som beskriver processen för solitonförekomst i optiska mikroresonatorer. I framtiden, detta kan leda till universella optiska oscillatorer och andra framsteg. Verket publicerades i Optik Express .

Under 2017, ett team av forskare ledda av Mikhail Gorodetsky, professor vid Fysiska fakulteten, MSU, utvecklat en metod för att kontrollera antalet solitoner i så kallade optiska mikroresonatorer. Mikroresonatorer är grunden för modern fotonik, en vetenskap som är specialiserad på optiska signaler. En resonator är en ringformad fälla för ljus där en foton betar studsar många gånger, rör sig i cirklar.

Solitoner är solitära lokaliserade vågor som uppträder i resonatorer om brytningsindexet för en resonators byggmaterial är olinjärt och är en viss funktion av våglängden. I detta fall, en laserstråle, efter att ha gjort ett antal rundor inuti en resonator, delas upp i separata solitoner (dvs. autofokuserar och förvandlas till femtosekundslånga pulser).

När du använder dessa resonatorer, forskare är särskilt intresserade av de så kallade soliton "optiska kammarna" - skapade i resonatorer som har ett typiskt kamformat optiskt spektrum där avståndet mellan två intilliggande toppar är lika med den omvända tid som ljuset kräver för att göra hela cirkeln. Sådana kammar kan användas för att lösa ett antal applicerade problem.

Problemet är att förekomsten av användbara kammar i en resonator baserad på magnesiumfluorid (MgF ₂ ) eller smält kiseldioxid förknippas med ett antal skadliga effekter. Dessa inkluderar den så kallade kombinations- eller Raman-spridningen. Det orsakas av oscillationer av separata molekyler i ett ämne. Efter att ha nått ytan av ett sådant ämne, ljus återutsänds med en annan våglängd. Effekten har en tröskel, beroende på strålningsintensiteten och ämnets sammansättning, och orsakar förstörelse av solitoner och spektrumförvrängning. Forskare dyker vanligtvis inte djupt in i denna effekts natur när de skapar ekvationer som beskriver effekter i mikroresonatorer, och tillämpa endast några korrigeringar på ekvationer. I den nya tidningen, forskarteamet studerade karaktären av denna effekt och utvecklade nya ekvationer som beskriver genereringen av optiska kammar med hänsyn till Raman-spridningen. Ekvationssystemet kan användas för numerisk simulering av effekterna som uppstår i optiska resonatorer.

"Vi använde dessa ekvationer för att kontrollera ljusets beteende i resonatorer med onormal dispersion och erhöll tidigare kända effekter. vi har testat vår teori, ", förklarade professor Gorodetsky. "Efter det applicerade vi det på kammar med normal spridning som har platikoner (pulser med platåformade toppar av spektrum) istället för solitoner."

Den nya modellen gjorde det möjligt för forskarna att förutsäga ett antal tidigare okända effekter, till exempel, när vanliga spridningspulser är kraftigt förvrängda på grund av Raman-spridning – förstörs de, börja dela sig, etc. De nya matematiska verktygen är viktiga för att forskare ska förstå hur man skaffar optiska kammar i miljöer med regelbunden spridning. Ytterligare experiment förväntas bevisa slutsatserna om exemplet med platikoner.

"För närvarande, det finns bara ett fåtal labb i världen som studerar solitonkammar. Tillsammans med våra schweiziska kollegor, vi var de första som visade dem. De används flitigt, särskilt inom högnoggrannhet spektroskopi, att öka hastigheten på informationsutbytet, i telekomnät, och i LIDAR, " förklarade Gorodetsky. "För en tid sedan, Tyska forskare använde optiska kammar för att exakt bestämma formen på en rörlig kula och lyckades se hur den förändras på grund av luftmotstånd."

Optiska kammar erbjuder möjligheter att utveckla optiska oscillatorer baserade på bara ett chip och avge ljus med valfri förinställd frekvens, vilket är omöjligt för moderna lasrar och andra generatorer. Dessutom, de kan tjäna som bas för spektrometrar av ficktyp för att analysera ämnens sammansättning. För närvarande, denna uppgift kräver ganska massiva enheter.