Un team della Facoltà di Fisica dell'Università Statale Lomonosov di Mosca, insieme agli scienziati del Russian Quantum Center, hanno sviluppato un nuovo modello matematico che descrive il processo di occorrenza di solitoni nei microrisonatori ottici. Nel futuro, questo potrebbe portare a oscillatori ottici universali e altri progressi. L'opera è stata pubblicata in Ottica Express .

Nel 2017, un team di scienziati guidati da Mikhail Gorodetsky, un professore della Facoltà di Fisica, MSU, ha sviluppato un metodo per controllare il numero di solitoni nei cosiddetti microrisonatori ottici. I microrisonatori sono la base della fotonica moderna, una scienza specializzata in segnali ottici. Un risonatore è una trappola per la luce a forma di anello in cui un fotone rimbalza più volte radente, muovendosi in cerchio.

I solitoni sono onde solitarie localizzate che appaiono nei risonatori se l'indice di rifrazione del materiale da costruzione di un risonatore non è lineare ed è una certa funzione della lunghezza d'onda. In questo caso, un raggio laser, dopo aver effettuato una serie di giri all'interno di un risonatore, si divide in solitoni separati (cioè, auto-focus e si trasforma in impulsi lunghi femtosecondi).

Quando si utilizzano questi risonatori, gli scienziati sono particolarmente interessati ai cosiddetti "pettini ottici" solitonici, creati in risonatori con un tipico spettro ottico a forma di pettine in cui la distanza tra due picchi adiacenti è uguale al tempo inverso necessario alla luce per realizzare l'intero cerchio. Tali pettini possono essere utilizzati per risolvere una serie di problemi applicati.

Il problema è che la presenza di pettini utili in un risonatore a base di fluoruro di magnesio (MgF ₂ ) o la silice fusa è associata a una serie di effetti nocivi. Questi includono il cosiddetto scattering combinatorio o Raman. È causato dalle oscillazioni di molecole separate in una sostanza. Dopo aver raggiunto la superficie di tale sostanza, la luce viene riemessa con un'altra lunghezza d'onda. L'effetto ha una soglia, a seconda dell'intensità della radiazione e della composizione della sostanza, e provoca la distruzione dei solitoni e la distorsione dello spettro. Gli scienziati di solito non si immergono profondamente nella natura di questo effetto quando creano equazioni che descrivono gli effetti nei microrisonatori, e applicare solo alcune correzioni alle equazioni. Nel nuovo giornale, il team di ricercatori ha studiato la natura di questo effetto e ha sviluppato nuove equazioni che descrivono la generazione di pettini ottici tenendo conto della diffusione Raman. Il sistema di equazioni può essere utilizzato per la simulazione numerica degli effetti che si verificano nei risonatori ottici.

"Abbiamo utilizzato queste equazioni per verificare il comportamento della luce nei risonatori con dispersione anomala e ottenuto effetti precedentemente noti. Pertanto, abbiamo testato la nostra teoria, " ha spiegato il professor Gorodetsky. "Dopo di che l'abbiamo applicato a pettini con dispersione normale che hanno platiconi (impulsi con picchi di spettro a forma di plateau) invece di solitoni".

Il nuovo modello ha permesso agli scienziati di prevedere una serie di effetti precedentemente sconosciuti, Per esempio, quando gli impulsi di dispersione regolari sono notevolmente distorti a causa della dispersione Raman, vengono distrutti, comincia a biforcarsi, ecc. I nuovi strumenti matematici sono importanti per gli scienziati per capire come ottenere pettini ottici in ambienti con dispersione regolare. Ulteriori esperimenti dovrebbero dimostrare le conclusioni sull'esempio dei platiconi.

"Attualmente, ci sono solo pochi laboratori al mondo che studiano i pettini di solitoni. Insieme ai nostri colleghi svizzeri, siamo stati i primi a dimostrarli. Sono ampiamente utilizzati, in particolare nella spettroscopia ad alta precisione, aumentare la velocità di scambio delle informazioni, nelle reti di telecomunicazioni, e in LIDAR, " ha spiegato Gorodetsky. "Qualche tempo fa, Gli scienziati tedeschi hanno usato pettini ottici per determinare con precisione la forma di un proiettile in movimento e sono riusciti a vedere come cambia a causa della resistenza dell'aria".

I pettini ottici offrono prospettive di sviluppo di oscillatori ottici basati su un solo chip e che emettono luce con qualsiasi frequenza preimpostata, il che è impossibile per i laser moderni e altri generatori. Inoltre, possono servire come base per spettrometri tascabili per analizzare la composizione delle sostanze. Attualmente, questo compito richiede dispositivi piuttosto massicci.