© iStock / kynny
Российские ученые при участии исследователей из НИУ ВШЭ изучили особенности генерации эрбиевых волоконных лазеров и вывели универсальные критические индексы для расчета их характеристик и режима работы. Результаты исследования помогут предсказывать и оптимизировать параметры лазеров для высокоскоростных систем связи, спектроскопии и других областей оптических технологий. Исследование опубликовано в журнале Optics & Laser Technology.
Эрбиевые волоконные лазеры — это устройства, в которых свет генерируется в волокне, содержащем ионы редкоземельного элемента эрбия. Такие лазеры работают на длине волны около 1,5 микрометра и идеально подходят для передачи данных на большие расстояния с минимальными потерями. Излучение на других длинах волн при прохождении через оптоволокно нуждается в усилении каждые 20–30 километров, а излучению эрбиевых лазеров требуется в 2–3 раза меньше усилителей, что снижает затраты на оборудование и эксплуатацию. Кроме того, эрбиевые лазеры способны создавать излучение с узкой спектральной линией (менее 1 кГц), применяемое в высокоточных оптических сенсорах и датчиках.
По мере того как требования к скорости и объему передачи данных растут, возникает необходимость в миниатюризации лазеров и уменьшении длины резонаторов при сохранении их эффективности. Резонатор — часть лазера, состоящая из двух зеркал и отвечающая за усиление света при его многократном прохождении через активную среду.
В зависимости от длины резонатора и концентрации ионов эрбия лазер может работать в разных режимах — импульсном или непрерывном. Основная сложность в том, что при уменьшении размера резонатора необходимо повышать концентрацию ионов эрбия. Это приводит к переходу лазера в импульсный режим, который может вызвать нестабильность передачи данных, ограничение мощности и повышение уровня шумов.
Группа российских ученых при участии физиков из НИУ ВШЭ подготовила два вида активных волокон для семи лазеров и сравнила, как концентрация ионов эрбия (от 0,03 до 0,3%) влияет на параметры лазера. В результате им удалось определить параметры активной среды и накачки, при которых можно одновременно сохранить короткую длину резонатора и обеспечить непрерывное излучение, а также параметры, при которых происходит переход из непрерывного режима в импульсный.
Олег Бутов
«Смена непрерывного режима на импульсный в некотором роде схожа с классическим фазовым переходом, который подчиняется математическим законам и характеризует процессы в других системах, например в жидкостях или твердых телах. Для лазеров с высокой концентрацией ионов эрбия характерны два порога: первый связан с началом генерации в импульсном режиме, а второй — с переходом в непрерывный режим. Эти законы близки к степенным зависимостям и описывают, как параметры лазера меняются вблизи порога генерации», — объясняет Олег Бутов, один из авторов статьи, заместитель директора, руководитель лаборатории волоконно-оптических технологий Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.
Исследователи впервые экспериментально определили критические индексы для эрбиевых лазеров — значения углов наклона логарифмических зависимостей частоты, длительности и амплитуды лазерных импульсов от мощности лазерного излучения.
Александр Смирнов
«Мы определили, что вычисленные зависимости универсальны для эрбиевых лазеров с существенно различающимся составом сердцевины активного световода, длиной и добротностью резонатора (мерой, определяющей отношение запасенной энергии к расходуемой за один период). Результаты позволят предсказывать параметры генерации эрбиевых волоконных лазеров и оптимизировать их работу для различных задач», — рассказывает другой автор статьи, профессор базовой кафедры «Наноэлектроника и фотоника» при Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН факультета физики НИУ ВШЭ Александр Смирнов.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда (№ 20-72-10057).
Группа российских ученых под руководством Натальи Крыжановской занимается исследованием микродисковых лазеров с активной областью на арсенидных квантовых точках. Впервые исследователям удалось разработать микродисковый лазер, сопряженный с оптическим волноводом, и фотодетектор на одной основе. Такая конструкция позволит реализовать элементарную фотонную схему на одной подложке с источником излучения (микролазером). Это поможет в будущем ускорить передачу данных, уменьшить вес техники без потери качества. Результаты исследования опубликованы в издании «Физика и техника полупроводников».
Доцент департамента прикладной математики МИЭМ НИУ ВШЭ Роман Гайдуков смоделировал движение жидкости вокруг вращающегося диска с малыми неровностями. Разработка делает возможным предсказание поведения потока жидкости без мощных суперкомпьютеров. Результаты опубликованы в журнале Russian Journal of Mathematical Physics.
На завершившейся недавно в Иране Международной олимпиаде по физике (IPhO 2024) школьники из Саудовской Аравии показали лучший результат в истории страны, завоевав одну серебряную и три бронзовые медали. Заключительную подготовку к соревнованию команда королевства впервые прошла в России — на факультете физики НИУ ВШЭ.
Это еще один шаг к созданию квантового компьютера. Ученые из Российского квантового центра, НИУ ВШЭ и МФТИ изучили фазовый переход в одномерных системах с беспорядком в присутствии коррелированного перескока частиц. Работа была опубликована в Physical Review Journals. Она открывает возможности для создания устойчивых одномерных атомных ловушек, квантовых нитей, кристаллов с одномерной проводимостью.
Ученые МИЭМ ВШЭ разработали новую модель анализа коммуникационных сетей, которая может значительно повысить скорость мобильной связи. Для этого исследователи использовали методы вычислительной физики и модели фазовых переходов. Оказалось, что работа сотовой сети во многом похожа на рост поверхностей в физике. Работа выполнена с использованием суперкомпьютерного комплекса “cHARISMa” НИУ ВШЭ. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Physics.
Ученые ВШЭ, МФТИ и Института физики твердого тела РАН совместно с коллегами из Англии, Швейцарии и Китая изучили свойства тонкослойной гетероструктуры «платина — ниобий». Проведенные ими эксперименты и теоретические расчеты подтвердили, что при контакте со сверхпроводником в платине возникает спин, который можно использовать как носитель информации. Платина не обладает собственным магнитным моментом, что в перспективе дает возможность создавать на базе новой структуры еще более миниатюрные чипы, чем в «традиционной» спинтронике. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Ученые из Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге исследовали, как размер резонатора влияет на температуру работы микродискового лазера с квантовыми точками в режиме двухуровневой генерации. Выяснилось, что микролазеры способны генерировать излучение на нескольких частотах даже при высокой температуре. Это позволит в будущем использовать микролазеры в фотонных интегральных схемах и передавать в два раза больше информации. Результаты исследования опубликованы в журнале Nanomaterials.
В конце мая факультет физики Вышки впервые организовал День света для студентов и абитуриентов. Его целью стало погружение школьников и учащихся младших курсов в увлекательный мир науки. Ученые ВШЭ рассказывали о распространении света в галактике, демонстрировали волновую теорию света на потолке лекционного зала и опыты с получением флуоресцеина. А студенты старших курсов представили свои исследовательские работы.
Российские физики показали, что можно использовать туннельный контакт для спектроскопии электронных состояний углеродных нанотрубок. Предложенная технология изготовления туннельного контакта и метод спектроскопии помогут точно определять ширину запрещенной зоны нанотрубок, которая является ключевой характеристикой для разработки любых электронных устройств на их основе. Результаты работы были представлены в журнале Applied Physics Letters.
Чем молодых физиков привлекает обучение в Вышке? Какие лаборатории ИСАН открыты для будущих профессоров и академиков? Выяснила новостная служба портала.