В исследовании, опубликованном в журнале Optics Letters, Михаил Сумецкий, профессор Института фотонных технологий в Астонском университете, и Никита Торопов, инженер Центра «Информационные оптические технологии» (ЦИОТ) Университета ИТМО, продемонстрировали так называемые бутылочные резонаторы, полученные с помощью опытной установки и изготовленные настолько точно, что разница их размеров не превышает 0,17 ангстрема. Эта величина в 10 раз меньше диаметра атома водорода и почти в 100 раз меньше нанометра. Для сравнения, на сегодняшний день погрешности при производстве резонаторов и световодов оцениваются все еще по наношкале. Такой значительный скачок в технологиях производства микрорезонаторов способен заметно повлиять на эффективность будущих оптических приборов.
Поскольку фотон не имеет массы покоя, можно сказать, что эта частица существует только в движении. В этом заключается основная сложность при использовании света в качестве носителя информации. Фотон нельзя остановить, но можно остановить переносимый им поток данных, например, заперев свет с помощью цепочки микрорезонаторов.
Бутылочный резонатор — это крохотное утолщение оптоволокна. Замедление сигнала происходит благодаря эффекту шепчущей галереи: попадая в резонатор, световая волна отражается от стенок и закручивается. Благодаря округлой (поэтому ее называют бутылочной) форме резонатора свет может довольно долго циркулировать внутри него, что заставляет фотоны распространяться от одного резонатора к другому со значительно меньшей скоростью.
Траектория света гибко регулируется путем изменения формы и размеров резонатора. Но модификация параметров этого устройства должна быть очень точна, поскольку любой дефект на его поверхности способен внести абсолютный хаос в поток фотонов.
«Когда свет долго крутится, он начинает интерферировать (конфликтовать) сам с собой, — рассказывает Михаил Сумецкий. — Если при изготовлении резонаторов допущена погрешность — начинается неразбериха. Отсюда вытекают два главных требования к ним: минимальное отклонение в размерах и малые световые потери. Наши резонаторы отвечают этим требованиям».
Технология, созданная учеными, является полностью уникальной и не основана на улучшении существующих методов.
«Мы не улучшали известные технологии создания фотонных устройств, а работали по своим лекалам, — говорит Никита Торопов. — Это заслуга моего соавтора, профессора Сумецкого. Несколько лет назад он разработал новую технологическую платформу изготовления таких резонаторов — SNAP (Surface Nanoscale Axial Photonics)».
Суть метода SNAP состоит в управляемом внедрении неоднородностей на поверхность оптоволокна с помощью лазера. Важно, что лазер не плавит, а отжигает волокно, снимая замороженные в нем напряжения. Когда стрессы, застывшие в волокне в процессе производства, снимаются, оно немного «распухает», и получается микрорезонатор.
Чтобы добиться высокой воспроизводимости параметров каждого резонатора, ученые воздействовали лазером на оптоволокно, измеряли потери после прохождения света через резонатор и корректировали его форму. Коррекция неоднородностей — самый кропотливый этап изготовления резонаторов, поскольку один лишний лазерный импульс или ошибка позиционирования в несколько микрон может сильно исказить форму резонатора. Постепенно повышая точность, ученые достигли предела измерительного прибора, который регистрирует световые потери. Это значит, что в перспективе точность изготовления резонаторов можно увеличить еще на порядок, если использовать более точный измеритель.
Еще одно достоинство новой технологии в ее простоте.
«Наша технология не требует вакуумных установок, практически свободна от „мокрых“ процессов, связанных с обработкой плат едкими растворами. Это также определяет и ее стоимость: она сравнительно недорога. Но самое главное — это шаг к полноценным оптическим устройствам, к повышению качества передачи и обработки данных и увеличению энергоэффективности», — добавляет Никита Торопов.
По словам разработчиков, пока нерешенной остается проблема, связанная с хрупкостью конического микроволокна, которое используется для завода света в резонатор.
«Это микроволокно в 50 раз тоньше волоса, — отмечает Никита Торопов. — Рвется оно так же легко, поэтому делали мы его бесчисленное количество раз. Быстрое изготовление таких волокон пока не налажено».
Исследователи планируют продолжать совершенствовать технологию SNAP и расширять диапазон ее применения — от создания сверхчувствительных измерительных приборов до квантовых компьютеров.
Статья: N. A. Toropov, M. Sumetsky, Permanent matching of coupled optical bottle resonators with better than 0.16 GHz precision, Optics Letters, 2016.
