Найден способ усовершенствовать и удешевить устройство для спектрометрии

Российские и швейцарские физики нашли способ усовершенствовать и удешевить устройства для спектрометрии. Можно надеяться, что в России появится новый класс высокотехнологического производства.

Ученые из лаборатории профессора Игоря Биленко (Российский квантовый центр) и группы профессора Тобиаса Киппенберга (EPFL, Швейцария) сумели объединить в одном устройстве компактный лазерный диод и уникальный оптический микрорезонатор. Созданное ими устройство — источник оптической частотной гребенки — обладает высочайшей стабильностью и крохотными размерами, поэтому для его питания достаточно обыкновенной батарейки. Такие источники могут лечь в основу множества полезных датчиков, которыми оснащаются «умные» часы, смартфоны и прочие мобильные устройства. Например, спектрометра для анализа вдыхаемого воздуха или неинвазивного исследования состава крови. Они также способны заменить лазеры в высокоскоростной передаче данных и будут использоваться в квантовых компьютерах, разрабатываемых в настоящее время госкорпорацией «Росатом» в рамках «дорожной карты» по квантовым вычислениям.

Световая линейка

Чтобы лучше понять природу частотной гребенки, представьте себе радугу: каждый из цветов соответствует электромагнитной волне определенной частоты. Обычный лазер излучает электромагнитные волны строго одной определенной частоты (один цвет). Особенность частотной гребенки как генератора оптического излучения заключается в том, что она может служить чрезвычайно точной линейкой для измерения частоты световых волн, поскольку расстояния между ее линиями в частотном диапазоне фиксированы и очень стабильны, как у зубчиков расчески.

В 2005 году Теодор В. Хэнш и Джон Л. Холл получили Нобелевскую премию «за вклад в развитие лазерной прецизионной спектроскопии, включая технику оптической частотной гребенки». Как рассказывал в своей нобелевской лекции Хэнш, с момента изобретения маятниковых часов время и частота являются теми величинами, которые мы можем измерять наиболее точно.

Измерение частоты, то есть подсчет числа циклов за определенный интервал времени, по сути, представляет собой процедуру работы с числами, к которым не должны примешиваться никакие посторонние шумы. Давно известны электронные измерители частоты, работающие в спектральной области вплоть до диапазона радиоволн. К примеру, радиочастотные цезиевые часы достигают точности до 15-го знака. Оптические атомные часы с «маятником» в виде атомов и молекул, колеблющихся на световой частоте, могут обеспечить еще более высокую точность измерений. Определение частот оптических переходов также необходимо для проверки физических законов — например, теорий строения атомов — и уточнения величин фундаментальных физических постоянных. Однако для применения таких методик необходима сетка так называемых опорных частот, привязанная к цезиевому стандарту и перекрывающая оптический диапазон, которая позволит точно измерить частоту используемых световых колебаний.

Долгое время для этого создавались сложные системы из множества лазеров, лазерные частотные цепочки, основанные либо на генерации высших гармоник, либо на генерации разностных частот. На рубеже ХХ и ХХI веков был разработан принципиально новый подход — с использованием так называемых лазерных частотных гребенок. Оказалось, что фемтосекундные лазеры, работающие в режиме синхронизации мод и излучающие периодическую последовательность сверхкоротких импульсов, позволяют генерировать оптический сигнал, спектр которого содержит набор эквидистантно (то есть на стабильно равном удалении друг от друга) расположенных узких спектральных линий.

С математической точки зрения периодическая последовательность импульсов описывается с помощью ряда Фурье, а линии гребенки соответствуют элементам этого ряда. Если спектральная ширина такого сигнала достаточно велика (превышает октаву), то можно создать высокостабильную сетку частот, пригодную для прецизионных оптических измерений. В дальнейшем лазерные частотные гребенки стали использоваться в научных исследованиях, уже более двадцати лет они служат важным инструментом для высокоточной спектроскопии, исследующей свойства материалов, прецизионной частотной метрологии, позволяющей проверять фундаментальные физические законы; для создания оптических атомных часов и генерации радиоволн с предельной фазовой стабильностью.

Не терять энергии

Чтобы расширить область их применения и найти способы внедрения их в коммерческие продукты, физики обратились к оптическим микрорезонаторам, поддерживающим распространение волн специального вида — так называемых мод «шепчущей галереи». В физическую науку это понятие ввел лорд Рэлей для описания звуковых волн. Понять, что это такое, можно, например, в галерее собора Святого Павла в Лондоне или возле арки на станции метро «Маяковская» в Москве. Звук, многократно отражаясь от гладкой изогнутой стены галереи или арки, может распространяться на большое расстояние почти без затухания, и сказанное шепотом слово у одной ее стороны можно легко услышать у другой.

Впоследствии было показано, что схожий эффект можно наблюдать и в случае световых волн — например, в оптических микрорезонаторах.

Микрорезонаторы с модами «шепчущей галереи» представляют собой сферы — кольца или диски из особого прозрачного материала размером от долей миллиметра до нескольких миллиметров, внутри которых свет может двигаться вдоль поверхности очень долго, отражаясь от стенок под малым углом.

Изготовить такие микрорезонаторы для оптики можно различными методами, например, выращиванием кристаллов с заданной геометрией, плавлением поверхности в пламени кислородно-водородной смеси, выжиганием мощным лазером вращающейся заготовки, литографическими методами или точечным алмазным резцом.

Фотонные метаморфозы

В 2007 году в лаборатории профессора Тобиаса Киппенберга в Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге (Max-Planck-Institut fur Quantenoptik, Garching) было продемонстрировано, что генерация оптических частотных гребенок возможна, если завести излучение высокостабильного лазера в высокодобротный микрорезонатор. В эксперименте использовался высокодобротный тороидальный микрорезонатор диаметром 75 мкм, освещавшийся лазером на длине волны 1,55 мкм.

Тогда удалось показать, что при определенных условиях (в частности, если мощность лазера превышает некоторое пороговое значение) в микрорезонаторе начинается нелинейное четырехволновое взаимодействие, когда два фотона с одинаковыми или разными частотами превращаются в два фотона с другими частотами и происходит генерация гребенчатого спектра из исходной частоты лазера.

Это открытие вызвало огромный интерес, так как использование микрорезонаторов позволяет радикально уменьшить размеры и стоимость генератора частотных гребенок, а также значительно увеличить энергоэффективность таких устройств.

Позднее, в 2014 году, Тобиас Киппенберг из EPFL (Лозанна, Швейцария) и Михаил Городецкий, основавший лабораторию в Российском квантовом центре (РКЦ), разработали методику генерации солитонных частотных гребенок в микрорезонаторах, обладающих беспрецедентно низким уровнем шумов.

Сейчас источники гребенок на основе микрорезонаторов используются в спектроскопии, прецизионных измерениях, астрофизике и телекоммуникационных устройствах.

От большего к меньшему

При всех достоинствах такой системы ее стоимость и размеры зависели от характеристик специального узкополосного лазера. В 2018 году Михаил Городецкий и его коллеги показали, что для генерации частотных гребенок можно заменить такой лазер гораздо более доступным миниатюрным лазерным диодом (почти таким же, как в обычных лазерных указках). Это стало возможным благодаря применению так называемого эффекта затягивания: связав обычный лазерный диод с высокодобротным микрорезонатором, можно превратить его в стабильный узкополосный источник, превосходящий по параметрам громоздкие лазерные системы стоимостью в несколько тысяч долларов. Замечательной особенностью созданного устройства является то, что в нем один и тот же микрорезонатор как стабилизирует лазерный диод, так и формирует оптическую частотную гребенку. А само устройство вместе с дополнительными элементами и источником питания столь мало, что помещается в спичечный коробок.

В последние годы бурно развивается технология изготовления интегральных микрорезонаторов. Такие резонаторы еще меньше, а изготавливать их можно в любых количествах — подобно интегральным микросхемам для компьютеров и телефонов. Если изначально потери в таких системах были существенно больше, чем потери в кристаллических микрорезонаторах, то сейчас качество интегральных систем из плавленого кварца или нитрида кремния практически сравнялось с качеством объемных микрорезонаторов, а устройства на их основе компактнее и эффективнее. Локализация поля в интегральных системах существенно выше, что снижает требования к мощности лазера, необходимой для генерации частотных гребенок.

Современные технологии позволяют изготавливать не только одиночный микрорезонатор на чипе, но и гораздо более сложные схемы с множеством взаимосвязанных микрорезонаторов и интегральных световодов. Переход от объемных микрорезонаторов к интегральным позволяет как значительно уменьшить размеры источников частотных гребенок, так и эффективно сопрячь их с другими широко применяемыми фотонными технологиями.

Отработанный способ изготовления интегральных структур позволяет существенно уменьшить время изготовления, улучшить «повторяемость» характеристик и автоматизировать производство таких систем. Одним из ведущих производителей высококачественных фотонных чипов является швейцарская компания Ligentec, являющаяся стартапом лаборатории профессора Киппенберга из EPFL.

Ученые РКЦ при поддержке Российского научного фонда продолжают исследования нелинейных и квантовых явлений в микрорезонаторах, а также при участии российского представительства компании Samsung занимаются оптимизацией разработанного источника оптических гребенок и планируют в скором времени вывести его на рынок.

Хочется надеяться, что в России в ближайшее время появится собственное производство интегральной фотоники высшего качества, чтобы разработки российских ученых реализовывались на отечественной элементной базе. Наиболее близки к лучшим мировым аналогам опытные образцы фотонных интегральных схем, разработанные в Институте нанотехнологий микроэлектроники РАН (ИНМЭ РАН) (группа М. А. Тархова), которые тестируются в РКЦ в настоящее время.

Валерий Лобанов, кандидат физико-математических наук