Физик КФУ совместно с группой ученых разработал новое устройство для оптических систем связи

Микроскопический квантовый прерыватель предназначен для создания дискретных импульсов света из непрерывного лазерного излучения.

Новое устройство, работающее на основе квантовых принципов, вскоре может заменить подобные механические, которые широко используются в настоящее время.

«На пути лазерного пучка ставится диск с отверстиями определенной формы. Он быстро вращается, и лазерный свет то прерывается, то проходит через отверстие. Тогда на выходе получаются дискретные импульсы, – рассказывает о принципах действия механического прерывателя света главный научный сотрудник Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН и главный научный сотрудник лаборатории «Космология» Казанского федерального университета, профессор Владимир Мостепаненко. – Для получения импульсов одной и той же продолжительности нужно, чтобы этот диск вращался со строго постоянной угловой скоростью. Поддерживать скорость с очень высокой точностью крайне сложно. Если угловая скорость вращения чуть-чуть меняется, то на выходе получаются уже не вполне одинаковые импульсы».

Группа российских физиков (Владимир Мостепаненко, Галина Климчицкая и Виктор Петров) совместно с научной группой, которой руководит профессор Дармштадтского технического университета (Германия) Тео Чуди, придумала новое устройство – квантовый прерыватель лазерных пучков света, который использует баланс между световым давлением и силой Казимира. Эффект Казимира – это взаимное притяжение двух расположенных на расстоянии в десятки и сотни нанометров друг от друга проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций вакуума.

«Предложенный нами квантовый прерыватель для создания дискретных световых импульсов представляет собой микрорезонатор Фабри-Перо, состоящий из двух параллельно расположенных и обращенных друг к другу зеркал, одно из которых, например, правое, может отклоняться под действием светового давления и силы Казимира, – объясняет Владимир Михайлович. – Если расстояние между зеркалами L составляет всего половину длины волны света, падающего на резонатор, он начинает проявлять интересные свойства (для видимого света L изменяется в диапазоне 200-400 нанометров). При выполнении данного условия давление света в микрорезонаторе Фабри-Перо резко усиливается, что приводит к отклонению правого зеркала и к уменьшению величины силы Казимира, притягивающей зеркала друг к другу. В результате условие резонанса в зазоре микро-резонатора нарушается и излучение, которое там накопилось, выходит наружу. При этом сила Казимира возвращает правое зеркало в исходное положение, условие резонанса восстанавливается и все повторяется сначала. Таким образом, наличие в зазоре микрорезонатора Фабри-Перо баланса между силой Казимира и силой светового давления, совпадающих в определенные моменты по величине, но отличающихся знаком, приводит к цикличности работы этого устройства».

Ученый отмечает, что при помощи разработанного российско-немецкой группой микроустройства, можно создавать требуемую периодичность световых импульсов в оптических системах коммуникации. Главное преимущество квантового прерывателя, по сравнению с механическим, заключается в том, что он работает без ошибок, возникающих за счет не вполне равномерно вращающихся деталей.

Российские физики осуществляли теоретические разработки, связанные с созданием нового микроустройства. По результатам исследований ими опубликована статья в престижном международном журнале Physical Review Applied. Кроме того, полученные результаты были представлены на двух международных конференциях, состоявшихся в 2018 году в Санкт-Петербурге и в Варшаве. Все экспериментальные работы в настоящее время проводят немецкие ученые.