Оптическая гребенка причешет навигацию

Группа ученых, среди которых были и физики из МГУ имени Ломоносова, создала микрорезонатор, в котором без посторонних шумов генерировались СВЧ-импульсы излучения, называемого оптической гребенкой. Это открытие позволит создать новое поколение компактных оптических импульсных генераторов для использования в работе спутниковых навигационных систем.

Фото:  

Как мы знаем, основным принципом работы систем спутниковой навигации вроде GPS, которые обеспечивают измерение расстояния, времени и определяют местоположениe объекта во всемирной системе координат, является определение вышеупомянутого местоположения путем измерения моментов времени приема синхронизированного сигнала от навигационных спутников антенной прибора, находящегося на Земле. И именно поэтому для такой системы чрезвычайно важна привязка к точным атомным часам, что требует большой скорости стабильности исходящего от спутника сигнала.

Тем не менее, хоть такие часы и называются "точными", однако и у них могут накапливаться погрешности, которые за миллионы лет могут достичь одной секунды. Хотя это, на наш взгляд, не так-то и много, однако даже местоположение объекта на поверхности Земли будет определено неточно. Ну, а если сигнал от спутника к тому же будет нестабильным и запаздывающим, тогда точность измерения упадет еще ниже. Именно поэтому ученые уже не одно десятилетие пытаются придумать, как бы "уточнить" часы навигационных спутников, при этом не увеличивая их размеры, ведь чем компактнее спутники, тем больше можно их разместить вокруг нашей планеты.

В настоящее время считается, что сделать такие часы более точными могут так называемые оптические гребенки — особый тип излучения, которое состоит из достаточно большого числа отдельных спектральных линий, равноотстоящих друг от друга на фиксированную СВЧ- или радиочастоту (поэтому-то график такого излучения и напоминает гребенку). А среди них самыми перспективными считаются керровские гребенки — излучение, испускаемое теми материалами, где проявляется эффект Керра (так называют изменение показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности электрического поля. — Ред.).

Ученые считают, что если бы керровские гребенки можно было использовать в телекоммуникациях, калибровке спектрометров астрофизического назначения и прочих высокотехнологичных приложениях, точность их работы повысилась бы, а стоимость таких приборов, соответственно, сильно бы упала. Однако тут есть два препятствия.

Во-первых, такое излучение пока что генерируется только лишь при помощи громоздких систем, основанных на фемтосекундных лазерах.

 

Все же попытки приспособить для их генерации микрорезонаторы наталкивались на другое препятствие — возникновение сильных помех. Причем наиболее сильные "шумы" возникают от того, что ширина спектра керровской гребенки, от ее самой высокой до наиболее низкой частоты, достаточно велика (а именно такие типы гребенок и интересуют ученых в первую очередь). Устранить же эти шумы до недавнего времени не удавалось — хотя бы потому, что было непонятно, что именно их порождает.

Впрочем, еще в 2012 году ученые из Московского государственного университета вместе со своими коллегами из Швейцарской высшей технической школы Лозанны провели исследование, которое несколько приоткрыло завесу тайны над процессом возникновения вышеупомянутых помех. Исследователи доказали, что источником шума в керровских гребенках являются не какие-то фундаментальные физические ограничения, а механизмы нелинейных гармонических колебаний, которые вполне можно компенсировать. Ну, а в конце прошлого года в журнале Nature Photonics появилась статья того же коллектива авторов, в которой исследователи изложили дополнительные результаты своей работы.

По сообщению профессора физического факультета МГУ и сотрудника сколковского Российского квантового центра Михаила Городецкого, в этот раз ученые смогли найти способ генерации стабильных фемтосекундных импульсов оптических "гребенок" и СВЧ-сигналов. Для этого они использовали в качестве микрорезонатора миллиметровый диск из фторида магния, в котором можно было создавать кольцевые, то есть движущиеся по периметру, электромагнитные колебания. Этот способ доктор Городецкий назвал методом "шепчущей галереи" (так называют помещение, обладающее следующей особенностью: шепот в нем хорошо распространяется вдоль стен, но не слышен в остальной части помещения, причем этот шепот, произнесенный вдоль стены, вернется к вам через некоторое время с противоположной стороны, как будто кто-то произнес его, стоя у вас за спиной. — Ред.). Использование такого метода позволило исследователям преобразовать непрерывное лазерное излучение в периодические импульсы невероятно короткой продолжительности.

По словам исследователей, эти короткие импульсы, генерируемые в микрорезонаторе, представляют собой оптические солитоны, то есть стабильные уединенные волны, которые двигаются, сохраняя свою величину и структуру (примером такой волны может быть рябь на воде или знаменитые "волны-убийцы"). "Теперь мы можем генерировать один стабильный солитон, который будет циркулировать внутри микрорезонатора. В результате на подсоединенном оптоволокне мы можем получить последовательность импульсов с периодичностью, равной времени оборота солитона", — комментирует результаты исследования доктор Городецкий.

Пока что длительность таких импульсов составила 100-200 фемтосекунд, однако авторы работы утверждают, что полученные ими солитоны можно сделать намного более короткими. Контрольные эксперименты с участием фотодетекторов подтвердили, что генерируемые керровской гребенкой импульсы представляет собой СВЧ-сигналы с минимальным уровнем шума (которым фактически можно пренебречь). Собственно говоря, именно такие сигналы пытались получить ученые разных стран в течение долгого времени — и только у группы Городецкого это наконец получилось.

Ученые считают, что их открытие позволит создать новое поколение компактных, стабильных и недорогих оптических импульсных генераторов. Причем их можно будет использовать не только для спутниковых навигационных систем, но и в таких технических отраслях, как радиолокация, спектроскопия и телекоммуникация — везде, где необходим быстрый и стабильный сигнал…