Прорывное открытие петербургских ученых позволит сократить себестоимость телекоммуникационного оборудования
Новый оптический эффект в стеклах впервые обнаружен исследователями Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Это открытие позволит в перспективе снизить стоимость телекоммуникационного оборудования за счет замены дорогостоящих кристаллических элементов для управления световыми потоками на элементы из стекла.
Ученым лаборатории «Многофункциональные стеклообразные материалы» НЦМУ СПбПУ удалось впервые получить гигантское (в 15 раз) усиление сигнала второй оптической гармоники в поляризованных стеклах.
Появление второй оптической гармоники – это физическое явление, при котором кванты света, проходя через оптически нелинейные материалы, объединяются и образуют кванты с удвоенной энергией. Например, за счет генерации второй гармоники невидимое излучение инфракрасного лазера преобразуется в зеленый свет. Эти же материалы дают возможность управлять световыми лучами, прикладывая к материалу электрическое напряжение, т.е. создавать электрооптические устройства.
Поляризация стекол (обработка во внешнем электрическом поле) используется для модификации их механических и химических свойств, формирования микрооптических структур, дифракционных решеток, записи информации в стеклах, а также для придания стеклам оптически нелинейных свойств кристалла, в частности для генерации второй оптической гармоники.
Исследователи СПбПУ впервые доказали, что дополнительная холодная поляризация натриево-силикатного стекла при комнатной температуре приводит к увеличению интенсивности второй гармоники более чем на порядок. После дополнительной холодной поляризации нелинейные свойства стекла приближаются к нелинейным свойствам кристаллического ниобата лития, который широко используется на рынке телекоммуникаций, например, в оптических переключателях и модуляторах, оптико-волоконных системах связи.
Полученные результаты носят как фундаментальный, так и прикладной характер. Так, натриево-силикатные стекла, в которых наблюдается этот эффект, стоят гораздо дешевле кристаллического ниобата лития и других кристаллов, что обусловливает коммерческую привлекательность таких стекол как нелинейных оптических материалов в интегрально-оптических удвоителях частоты, а также электрооптических модуляторах, которые полностью интегрированы в оптические волокна или оптические волноводы на основе стекла.
«Полученный фундаментальный результат – это новый взгляд на природу оптической нелинейности в поляризованных щелочесодержащих стеклах. Примечательно, что процесс холодной поляризации можно повторять многократно. После релаксации нелинейности, которая неизбежно происходит через какое-то время, можно повторить холодную поляризацию, чтобы восстановить усиление нелинейного оптического сигнала. В наших экспериментах мы провели пять последовательных циклов «релаксация-холодная поляризация» и даже после последнего цикла наблюдали усиление нелинейного сигнала на уровне примерно 50% по сравнению с первым циклом», – прокомментировала результаты исследования заведующая лабораторией «Многофункциональные стеклообразные материалы» НЦМУ СПбПУ, д.ф.-м.н. Валентина Журихина.
Вице-губернатор Владимир Княгинин обратил внимание на продуктивную деятельность НЦМУ «Передовые цифровые технологии», созданного в рамках национального проекта «Наука». Она направлена на обеспечение научно-технологического прорыва Российской Федерации через применение принципиально новых наукоемких технологий современного цифрового производства в соответствии с ключевыми приоритетами Стратегии научно-технологического развития страны.
Помимо Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, в данный консорциум входят Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Тюменский государственный университет и НИИ гриппа имени А.А.Смородинцева Минздрава России.
Программа исследований НЦМУ до 2025 года содержит 35 научных тематик по 4 направлениям: передовые цифровые технологии и технологии «умного» производства, искусственный интеллект; роботизированные системы; материалы нового поколения и аддитивные технологии. Они сформированы в соответствии с реальными задачами-вызовами для отечественных предприятий – индустриальных партнеров организаций консорциума. В их числе ГК Росатом, ГК Ростех, ОДК, Газпром-нефть, Северсталь, Силовые машины, холдинг «Вертолеты России», КАМАЗ и другие ведущие предприятия страны.