Физики МГУ достигли рекорда добротности для следующего поколения магнитооптических резонаторов в микрооптике

Учёные кафедры физики колебаний физического факультета МГУ впервые изготовили оптический микрорезонатор с рекордной добротностью. Эта характеристика показывает число колебаний в колебательном контуре, которое совершает световая волна до затухания. В данном случае рекорд добротности относится к микрорезонаторам из материалов, обладающих сильным магнитооптическим взаимодействием. Такие микрорезонаторы могут помочь в создании более дешевых модуляторов, ячеек памяти, магнитных сенсоров и стать новым поколением резонаторов в электронике. Исследование опубликовано в журнале Optic Letters.

Микрорезонатор сделан из кристалла и может поместиться на кончике пальца. Он изготовлен в форме диска диаметром в несколько миллиметров для того, чтобы получать резонанс в гигагерцовом диапазоне. Резонанс в таких диапазонах нужен для радиофотонных применений. Высокую добротность на данный момент можно получить только в кристаллических резонаторах, в промышленном масштабе такое пока что недоступно. Кристаллические резонаторы предназначены для единичных исследовательских установок, то есть пока это скорее узкоспециализированный продукт.

Исследователи сумели продемонстрировать рекордную добротность (Q = 1.45×10⁸) среди магнитооптических материалов. Высокая добротность означает, что свет внутри микрорезонатора практически не теряет свою энергию и может проходить в нём очень большое расстояние, отражаясь от стенок микрорезонатора. Такая конструкция может быть использована в различных электронных устройствах: от модуляторов до различного рода сенсоров.

В качестве кристалла для изготовления был выбран тербий галиевый гранат. У него большая постоянная Верде, которая отвечает за магнитооптические характеристики, и низкое оптическое поглощение. Получающийся из такого материала резонатор относится к резонаторам с модами шепчущей галереи. Это красивое название обозначает специальный тип колебаний, распространяющихся внутри резонатора, по аналогии с акустическими колебаниями в Шепчущей галерее собора в Лондоне, которые исследовал и объяснил лорд Рэлей. Чем-то распространение «шепчущей волны» похоже на явление полного внутреннего отражения, потери энергии в таких резонаторах малы, поэтому в них может быть достигнута высокая добротность.

«Видов магнитных сенсоров существует множество, и микрорезонатор из тербий галиевого граната уступает многим другим устройствам в ряде характеристик. Тем не менее, наш микрорезонатор имеет свои преимущества: возможность обнаружения более высокочастотных полей и отсутствие насыщения при любых достижимых значениях напряженности магнитного поля», – объяснил руководитель научной группы, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики колебаний физического факультета МГУ Игорь Биленко.

«Мы исследовали воздействие магнитного поля на оптический микрорезонатор, показали в нём наивысшую добротность среди других резонаторов с сильным магнитооптическим взаимодействием, построили численную модель взаимодействия», – рассказал первый автор статьи, магистрант кафедры физики колебаний физического факультета МГУ Андрей Данилин.

В дальнейшем планируется исследовать взаимодействия ортогонально-поляризованных семейств оптических мод через взаимодействие с высокочастотным магнитным полем, применения в качестве оптических изоляторов.