Аспирантка ИТМО Ида Кубланова — о том, почему фотоника похожа на единорога и как она помогла ей найти путь в жизни

— До того, как поступить в аспирантуру ИТМО, вы окончили здесь магистратуру и бакалавриат ― всё на факультете фотоники. А почему вообще решили связать жизнь именно с этим направлением, поступить в ИТМО?

— Еще в школе я захотела поступить на образовательную программу, связанную с оптикой. Это направление казалось мне очень эстетичным. Я училась в лицее №344 с углубленным изучением физики и математики, мне нравилось, когда на уроках нам показывали разные стекла с радужками. А на лабораторных работах у меня хорошо получалось решать задачи на оптику. Поэтому я надеялась, что в учебе и работе будет что-то не только полезное, но и красивое.

К тому же фотоника звучит очень загадочно, ее можно представить в виде единорога. Эта наука изучает генерацию, передачу, распространение и взаимодействие света в среде. А рог волшебного животного можно представить как призму, которая собирает и преобразовывает свет, в результате чего единорог светится радугой. А радугу, закаты, рассветы — всё это мы видим в реальной жизни и можем объяснить с помощью фотоники.

В итоге я сходила на дни открытых дверей и поняла, что ИТМО — именно то, что мне нужно. Конечно, в других университетах тоже есть программы подготовки, связанные с оптикой и фотоникой. Но здесь этим направлениям уделяют большое внимание и рассматривают их с разных сторон. Мы не только решаем теоретические уравнения, но и много работаем руками, например ― настраиваем разные оптические схемы для лабораторных работ. Есть много вариантов, чем можно заняться, и это захватывает.

И наконец, есть возможность поработать над разными, в том числе крупными проектами и исследованиями. Например, мы занимаемся разработкой точного волоконно-оптического гироскопа и квантовых усилителей для проекта трансарктической подводной волоконно-оптической линии связи «Полярный экспресс».

― Над какими научными задачами работаете именно вы?

— Я занимаюсь модернизацией интерферометрического волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) в научно-исследовательском центре световодной фотоники ИТМО. Это прибор для измерения угловой скорости вращения, который применяется в навигации. Как и любой фазовый датчик, гироскоп крайне чувствителен к малейшим изменениям измеряемой величины. К несчастью, на изменение фазы может влиять множество внешних факторов. Например, ВОГ может служить прекрасным термометром. Тем не менее, изменение фазы, связанное с изменением температуры, просто так не отличить от изменения фазы, вызванного вращением. Таким образом, создаются помехи, и точность измерений прибора падает.

Один из основных источников возникновения помех (паразитных фазовых сдвигов) — это электрооптический модулятор. Этот элемент предназначен, чтобы лучше различать фазовый сдвиг, который вызывается вращением гироскопа. Воздействие производится за счёт электрического напряжения, которое подается на электроды. Под этим воздействием изменяется показатель преломления волновода, по которому проходит излучение. Это влияет на фазу. Если две волны модулируются по-разному, между ними возникает разность фаз. Это и будет результатом модуляции. Важно, чтобы воздействие можно было контролировать и к модулированной разности фаз не примешивались паразитные.

Тут и возникает основная загвоздка. Модуляторы располагаются на подложке из кристалла ниобата лития (LiNbO3). Этот материал используется из-за высокого электрооптического коэффициента, что позволяет проводить модуляцию более эффективно. Тем не менее, ниобат лития подвержен ряду паразитных эффектов. В частности, поверхностные пироэлектрические (связанные с изменением температуры внешней среды) и пьезоэлектрические (связанные с механическим воздействием) эффекты неравномерно распределяются по поверхности кристалла, а значит создают неизвестный паразитный сдвиг фазы. Поэтому моя основная исследовательская задача — уменьшить влияние внешних факторов на изменение фазы и таким образом повысить точность измерений.

— Как именно вы решаете эту задачу?

— В схеме, предложенной Лефевром и использующейся повсеместно, модулятор входит в состав многофункциональной интегрально-оптической схемы (МИОС). Здесь модулятор состоит из двух волноводов, нанесенных на поверхность ниобата лития. Это означает, что неравномерно распределенные поверхностные эффекты воздействуют на волны по-разному и дают неизвестный паразитный сдвиг фаз. А в гироскопе важно, чтобы до и после модулятора распространялись волны одной поляризации.

Поэтому мы заменили модулятор с двумя волноводами на модулятор двулучепреломления. Теперь модуляция все также наводится между двумя волнами, но они распространяются по одному волноводу в разных поляризациях. В нашей схеме разделение волны одной линейной поляризации на две волны с ортогональными линейными поляризациями происходит с помощью соединения волокна и волновода в кристалле ниобата лития. Оси двулучепреломления волокна повернуты относительно осей двулучепреломления волновода на 45°, тогда излучение разделяется и проецируется на две оси — быструю и медленную — и дальше распространяется по ним.

После модулятора излучение распространяется по двум плечам. В одном из них волны поворачиваются на 90° так, что быстрая и медленная волна меняются местами. Потом в обоих плечах излучение проходит через линейные поляризаторы, согласованные с медленной осью. Теперь в одном плече распространяется медленная ось, а в другом та, что была быстрой, но стала медленной.

Наконец, после прохождения по волоконно-оптическому контуру излучение снова направляется в модулятор. Причем та его часть, что при прямом прохождении не поворачивалась на 90°, поворачивается и распространяется по быстрой оси. Таким образом, в модуляторе двулучепреломления излучение снова распространяется и по медленной оси, и по быстрой. После же модулятора из-за соединения с поворотом осей на 45°, излучение из каждой оси проецируется сразу на две новые оси. Таким образом, линейный поляризатор, согласованный с медленной осью, пропускает излучение, содержащее обе волны с разными электрооптическими коэффициентами. А мы получаем полезный модулирующий сдвиг фаз.

— А как происходят измерения и где их можно применять?

— После прохождения модулятора и конструкции из ответвителя, соединений и поляризаторов волны попадают в чувствительный элемент — волоконно-оптический контур, где встречно распространяются (по часовой и против часовой стрелки). Физической основой для работы этого чувствительного элемента является эффект Саньяка. Если контур не вращается, у обеих волн будет одинаковый путь, а значит, информационного набега фаз между ними не будет. Если же контур вращается, путь до некоторой воображаемой точки на контуре для волн станет разным, и появится информационная разность фаз. Она пропорциональна скорости вращения. Так, например, можно определить скорость вращения Земли на определенной широте.

Эта информация полезна при навигации, если нужно определить положение чего-либо в пространстве. Например, в океане у кораблей нет четкого внешнего ориентира для движения, потому что везде одинаковый пейзаж — вода. Гироскоп фиксирует, насколько градусов поворачивает корабль, поэтому капитану проще отследить, правильным ли курсом он идет.

Читайте также:

От оптоволокна до навигационной системы: воссоздан полный цикл производства высокоточных гироскопов

Кто такие PI и чем они занимаются? Рассказывает ученый ИТМО Иван Дейнека, вместе с командой работающий над высокоточными датчиками и системами связи

Уже слышали о метафотонике? Рассказываем о новой области, с которой связывают развитие целого класса устройств будущего

— Как вы развиваете разработку сейчас?

— С научным руководителем и директором института «Высшая инженерно-техническая школа» Андреем Куликовым мы уже оформили патент на гироскоп. А сейчас совместно с Центральным научно-исследовательским институтом «Электроприбор» продолжаем дорабатывать макет прибора и проводить эксперименты. Например, проверяем, можно ли использовать его при разных температурах. В 2022 году нашу разработку отметили вторым местом в конкурсе научно-исследовательских работ в секции «Транспортные системы, машиностроение и энергетика» на всероссийском молодежном научном форуме «Наука будущего — наука молодых».

— В свободное от работы и учебы время вы играете в интеллектуальном турнире «Что? Где? Когда?», и ваша команда даже вышла в финал в первой серии игр для сотрудников ИТМО. С чего началось ваше увлечение и насколько полезным оказался опыт соревнования?

— Я начала играть с командой в «Что? Где? Когда?» еще в 7–8 классах. Тогда соревнования проходили в Президентском физико-математическом лицее № 239, и вел их другой известный знаток телеигры Александр Друзь. В школе мы играли плохо, все время были на последних местах, но зато нам было весело. Это интеллектуально и азартно, можно ответить на вопросы, даже если ничего не знаешь по конкретной теме.

Мне кажется, быть капитаном не сложнее, чем обычным игроком, но точно веселее. А еще управление людьми в игре помогает мне развивать лидерские качества и бороться со страхом перед ответственностью в реальной жизни.

— Многие аспиранты параллельно с учебой практикуются в преподавании. Рассматривали ли вы для себя такой вариант и что планируете делать после выпуска?

— Я участвовала в программе ITMO.Mentors, но не рассматривала преподавание как основную деятельность. Сейчас я участвую в записи подкаста «Детский Научный Контент». В нем мы с командой объясняем детям технологии и научные явления простым языком. Например, из чего делается стекло, как создаются «умные» материалы или как работает солнечная энергия. После аспирантуры я планирую продолжить заниматься исследованиями, но попробовать себя в новых направлениях, например, связанных с экологией.