Эффектная оптика

Оптические микрорезонаторы — основа новой технологии, повышающей плотность передачи данных по оптоволокну. И это лишь одно из возможных их применений. За два года одна из лабораторий Российского квантового центра научилась делать микрорезонаторы, которые уже покупают за границей. А ученые, которые раньше работали в зарубежных университетах, возвращаются в Россию для работы в этой лаборатории.

1 / 5

Как пролить свет

В подмосковной деревне Сколково на Новой улице построен дом под номером 100 с зеркальными стенами, синевой соперничающими с небом. Это здание школы управления "Сколково". Чтобы добраться до него, нужно пройти через луг, покрытый в мае одуванчиками, и отметиться на КПП, где проверяют паспорт. Без пропуска за забор не пустят. Либо можно пройти через другое, дальнее КПП, от которого виден знаменитый сколковский дом-куб. Кроме этих двух зданий, покрытых зеркальными панелями, ничто не выдает, что здесь трудятся лучшие умы страны, а может быть, даже и человечества.

Один из арендаторов "синего дома" — Российский квантовый центр (РКЦ). На пятом этаже в левом крыле находится его офисная часть — там разрабатываются теории, рождаются гипотезы и ведутся административные дела. В кабинете Михаила Городецкого, руководителя новой лаборатории центра, три стола — один его, за вторым работает Алексей Рубцов, третий Алексея Кавокина. Следы посещений офиса физиком Кавокиным разбросаны буквально по всему офису. Это рисунки, причем совсем далекие от физики. Алексей еще и автор детских книжек про приключения кота Саладина. В обычной жизни Алексей Кавокин — профессор Университета Саутгемптона, его коллеги — профессора МГУ. В РКЦ он руководит группой квантовой поляритоники. Он ведет разработки, которые потенциально могут увеличить пропускную способность существующих линий связи в миллиарды раз за счет использования в качестве носителей информации не электронов, а спинов (магнитных моментов электронов). Алексей Рубцов исследует сильно коррелированные квантовые системы. Оба Алексея — ученые-теоретики: чтобы их гипотезы проверить, нужны экспериментаторы.

Чистота эксперимента

Экспериментаторы ставят опыты в лабораториях РКЦ на минус первом этаже, в подвале. Мы начинаем осмотр новой лаборатории. Михаил Городецкий, ее руководитель, а также профессор МГУ и доктор физико-математических наук, извиняется за то, что она пока еще не до конца обустроена. Но, наверное, только физику понятно, что он имеет в виду: дилетанту кажется, что помещение — обычная научная лаборатория. Прежде чем зайти в нее, нужно воспользоваться специальным устройством: оно оборачивает обувь слоем полиэтилена, сооружая что-то вроде бахил. Пыль и уличная грязь — главные враги экспериментаторов, работающих со светом. На входе в новую лабораторию установлено устройство для создания оптических микрорезонаторов. Это, по сути, токарный станок для очень маленьких деталей из хрупких материалов. Микрорезонаторы сейчас делают из фторидов магния и кальция — прозрачного кристалла. Раньше изготавливали из плавленого кварца, то есть по факту из стекла. Станок периодически пыхтит — сбрасывает воздух. Заготовка обрабатывается тончайшими алмазными резаками, которые подвешены на воздушной подушке. Ножи должны двигаться без рывков, плавно, чтобы не повредить кристалл. Заготовка вращается настолько быстро, что увидеть это невооруженным глазом невозможно - кажется, что она просто статична. Интерфейс приложения, управляющего резаками, очень похож на то, как показывают в фильмах: старомодный монохромный экран с командами, понятными только специалисту. Таких специалистов в лаборатории всего двое, они прошли обучение в США. Краткие курсы того, как обращаться с устройством, также прослушали еще два ученых, в том числе сам Михаил Городецкий. Лаборатория оборудована, по его словам, пока лишь на 60%. Станок прибыл сюда в декабре прошлого года. Вообще-то он предназначен для изготовления контактных линз и искусственных хрусталиков глаза. Производить контактные линзы на этом конкретном станке не получится: отсутствует один из элементов, который стоит несколько десятков тысяч долларов, но для производства оптических микрорезонаторов не нужен. Программное обеспечение производитель также модифицировал под нужды лаборатории РКЦ.

Российские корни

Микрорезонаторы — это очень актуальная тема в квантовой оптике сегодня. Их изучением занимается несколько групп по всему миру. Причем изначально оптические микрорезонаторы были изобретены в МГУ, первая статья о них была опубликована в 1989 году тремя физиками: Владимиром Брагинским, Михаилом Городецким и Владимиром Ильченко. Михаил Городецкий был тогда студентом, а его руководитель Ильченко позже уехал работать в США в лабораторию НАСА. Городецкий же остался в МГУ и много лет провел за изучением этой сферы. Он присоединился к команде РКЦ всего год назад — здесь его потенциал как ученого может раскрыться полностью. В РКЦ для этого есть все необходимое оборудование, которого нет в МГУ, а также команда. Еще один аргумент, который Михаил приводит в пользу РКЦ,— возможность платить достойную зарплату сотрудникам. В его команде несколько ребят, которые занимались научной деятельностью под его руководством в МГУ. Не секрет, что удержать молодых многообещающих ученых сегодня непросто — перед ними открыты двери лабораторий по всему миру. РКЦ — одна из возможностей делать блестящую научную карьеру и получать адекватную зарплату, не покидая родной страны. В лаборатории Михаила Городецкого ведутся исследования, которые могут изменить мир.

Оптический микрорезонатор — это, по сути, ловушка для света. В кристалл впускают фотон, и он бегает по кругу, отражаясь от стенок. Добротность микрорезонатора — это как раз число колебаний, которое совершает световая волна до затухания. Сейчас производят микрорезонаторы с добротностью 100 млрд. То есть свет находится в кристалле несколько сотен микросекунд. Первые микрорезонаторы были круглыми — микросферы из плавленого кварца делали в МГУ прямо на водородной миниатюрной горелке. Именно об их свойствах и вышла первая статья Михаила Городецкого. После нее микросферы начали изучать во всем мире.

Чуть позже было придумано и опробовано множество разных форм для микрорезонаторов. В лаборатории РКЦ кристаллы затачивают в виде диска диаметром несколько миллиметров с заостренным периметром, как диск для метания. Было проверено, что добротность микрорезонаторов такой формы самая высокая. Область применения этих еле видимых обточенных кристаллов очень широкая. С их помощью можно генерировать фемтосекундные импульсы, которые, к примеру, используются операций на глазу или для сверхточной обработки материалов. Производить сверхточные измерения, создавать стабильные СВЧ-генераторы и так далее. Сейчас под руководством Михаила Городецкого ведутся эксперименты с оптическими гребенками в микрорезонаторах. Это новое направление, которому всего 8 лет. За открытие классических гребенок, в больших лазерах в 2005 году получили Нобелевскую премию два ученых-экспериментатора — американец Джон Холл и немец Теодор Хенш. Они удостоились награды за вклад в разработку высокоточной лазерной спектроскопии.

Название "оптическая гребенка" появилось из-за того, что свет лазера, пропущенный через оптический микрорезонатор и считанный специальным устройством, на экране спектроанализатора выглядит в виде аккуратных зубьев, напоминающиъ гребень для волос. Они плавно вырастают к центру и симметрично затухают к концу. Между зубьями расстояние совершенно одинаковое. С такой гребенкой можно сравнить спектр любого другого света, то есть оптическая гребенка — это линейка для спектроскопии, очень точная, миниатюрная и позволяющая делать измерения мгновенно. В теории такие микрорезонаторы можно использовать в телекоммуникациях для увеличения плотности передачи данных по оптоволокну. Сейчас пакеты данных уже передаются в разном цветовом диапазоне, но если передатчик и приемник будут более чувствительными, то можно будет разветвить одну линию передачи данных на еще большее число частотных каналов.

Оптический нос

С помощью оптических микрорезонаторов также можно измерять свет далеких планет, определяя их состав, и даже создавать миниатюрные детекторы вирусов, бактерий или определенных веществ — биосенсоры и химические датчики. Михаил Городецкий рисует такую футуристическую картинку: с помощью компактного прибора, основанного на микрорезонаторах, определяется состав выдыхаемого человеком воздуха, который несет информацию о состоянии почти всех органов в организме. То есть точность и скорость диагностики может возрасти многократно.

Но это пока лишь теории, которые требуют проверки. До готовых устройств еще далеко. Хотя по словам Михаила Городецкого, его лаборатория по плану должна уже через пару лет придумать, как применять микрорезонаторы на практике. Пока самое перспективное направление — это телекоммуникации, а также военная сфера. Например, они могут применяться при создании радаров, стабильных генераторов сигнала и т. д.

Новое оборудование должно помочь в проверке гипотез и разработке идей прикладных устройств. Раньше микрорезонаторы приходилось запрашивать у научных партнеров — квантового центра в Швейцарии. Теперь их можно изготавливать на месте и не ждать посылку от иностранцев.

Чтобы получить оптическую гребенку, кристалл сначала обрабатывают на станке, придавая требуемую форму, там же его полируют, а затем проверяют свойства. На это уходит до нескольких часов. Но не всякий микрорезонатор хорош — на втором этапе необходимо проверить его свойства. Для этого микрорезонатор помещают в измерительную установку, для точного позиционирования используется микроскоп. Затем через него пропускают инфракрасное лазерное излучение. Сигналы с детектора исследуются на анализаторе спектра. Лаборатория тесно сотрудничает с группой профессора Киппенберга из Швейцарии, в которой в 2007 году были открыты микрорезонаторные гребенки. Теперь вместе они научились делать лучшие в мире оптические гребенки, основанные на солитонах. В лаборатории РКЦ умеют делать очень хорошие резонаторы — их теперь запрашивают те самые швейцарцы. Михаил Городецкий открыл, что самые хорошие оптические гребенки получаются, если удается получить внутри диска бегающий по кругу солитон. Диск с заостренным краем как раз позволяет лучше, чем другие формы, получать солитоны.

Пока массовое производство микрорезонаторов не требуется. Хотя несколько компаний в мире уже производят устройства с их использованием, то есть смогли коммерциализировать эти разработки. Но это все еще штучные аппараты для очень узких целей. К примеру, американская компания OEWaves (в которой сейчас работает один из изобретателей микрорезонаторов — Владимир Ильченко) выпускает сверхстабильные СВЧ-генераторы и очень хорошие лазеры. Их лазер, выдающий свет в очень узком диапазоне (до 300 Гц) с ультрамалыми частотными и фазовыми шумами, удостоился награды PRIZM. Это фактически "Оскар" в области прикладной оптики, который выдается один раз в год.

В медицинской сфере компания Samsung ведет совместные разработки с Российским квантовым центром. Они пока на самой начальной стадии, поэтому говорить об изобретениях, имеющих прикладное применение, преждевременно.

Скорость, с которой открытия проходят путь до рыночных технологий, сегодня запредельная. На то, на что раньше уходили десятилетия, сегодня иногда уходит меньше пяти лет. Но в науке исследования оптических гребенок еще и этот срок не прошли. Несмотря на то что они были открыты в 2007 году, стабильные гребенки получили лишь в 2013-м. У России в этой области сильные позиции: ученые РКЦ ушли далеко вперед в производстве оптических гребенок по сравнению с их швейцарскими коллегами. Но лаборатория в Швейцарии научилась выпускать микрорезонаторы на чипе. В России интегральные технологии такого уровня пока только начали развиваться и применяются лишь в нескольких лабораториях. Здесь российским ученым есть на кого равняться.