Красноярские ученые разработали и экспериментально реализовали новый оптический микрорезонатор, основной характеристикой которого, добротностью, можно управлять с помощью внешнего напряжения. Это значительно повышает эффективность устройства и дает возможность создавать на его основе энергоэффективные микролазеры, сенсоры и поглотители.

Результаты исследования опубликованы в журнале Optics Letters.

Фотоника и электроника тесно связаны друг с другом. Принцип действия электронных устройств заключается в перемещении заряженных частиц (электронов), в то время как устройства фотоники используют частицы света (фотоны). Микрорезонаторы – это «ловушки для света». Устройства, которые позволяют эффективно запирать свет в малой области пространства. За счет сохранения световой энергии в маленьких объемах материала они способны обеспечить увеличение интенсивности света на определенных частотах. Это приводит к усилению отклика устройств фотоники на основе микрорезонаторов. Микрорезонаторы нашли широкое применение в области оптоэлектроники и связи, в частности, они могут использоваться для создания оптических часов, лазеров и датчиков, а также в квантовых вычислениях.

Учёные ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» совместно с коллегами из Сибирского федерального университета предложили модель нового микрорезонатора, которая была реализована экспериментально. Особенность разработанного устройства — в настраиваемой добротности.

Добротность в микрорезонаторе определяет способность устройства сохранять энергию внутри себя. Чем выше добротность микрорезонатора, тем дольше он может сохранять энергию и выполнять свои функции. Высокая добротность является ключевым параметром для многих его приложений. Поэтому увеличение и оптимизация этого показателя являются активными областями исследований.

Фотонные кристаллы

«Одной из важных характеристик микрорезонатора является добротность. Добротность – это показатель того, сколько энергии теряется за один проход света между зеркалами. Мы спроектировали систему таким образом, чтобы в ней могло реализоваться связанное состояние в континууме. Связанное состояние в континууме – это запертая в микрорезонаторе световая волна с добротностью, ограниченной только поглощением света в веществе микрорезонатора. Если менять параметры микрорезонатора, настроенного на связанное состояние в континууме, можно эффективно управлять его добротностью», — рассказал Алексей Краснов, лаборант Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

Структура нового микрорезонатора с регулируемой добротностью состоит из двух одномерных фотонных кристаллов, между которыми находится слой жидкого кристалла. Фотонный кристалл – это своего рода «торт», состоящий из множества тонких слоёв нескольких материалов, который эффективно отражает падающий на него свет. Таким образом, свет запирается между двумя фотоннокристаллическими зеркалами, образуя микрорезонатор.

«Слой жидкого кристалла, помещенный в микрорезонатор, чувствителен к электрическому напряжению, приложенному к нему. Это свойство уже долгое время используется для создания ЖК-дисплеев. Мы впервые использовали чувствительность жидкого кристалла, помещенного в микрорезонатор, для электрического управления его добротностью. Предложенный нами микрорезонатор с управляемой добротностью может быть использован при создании энергоэффективных устройств фотоники», — рассказал кандидат физико-математических наук научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Павел Панкин.

Исследователи отмечают, что новый разработанный микрорезонатор может эффективно использоваться для создания низкопороговых микролазеров на красителях, совершенных поглотителей света и биофотонных сенсоров.

Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 22–22–00687).