Enkelte solitoner lovende for optiske teknologier

Forskere er et skridt nærmere at udnytte enkelte lysimpulser kaldet solitoner, ved hjælp af små ringformede mikroresonatorer, i resultater, der kunne hjælpe bestræbelserne på at udvikle avancerede sensorer, højhastigheds optisk kommunikation og forskningsværktøjer.

At være i stand til at udnytte solitonerne ved hjælp af enheder, der er små nok til at passe på en elektronisk chip, kunne bringe et væld af applikationer, fra optiske miniaturesensorer, der detekterer kemikalier og biologiske forbindelser, til højpræcisionsspektroskopi og optiske kommunikationssystemer, der transmitterer større mængder information med bedre kvalitet.

Forskere har haft succes med konsekvent at skabe flere solitoner ad gangen og enkelte solitoner; imidlertid, relativt kompliceret "aktiv tuning" eller kontrol er nødvendig. Nu, nye resultater beskriver en passiv metode, der omgår behovet for aktiv kontrol for generering af enkelt soliton.

"Vores arbejde har identificeret en ny måde at lede dette system ind i en enkelt stabil soliton, " sagde Andrew M. Weiner, Purdue University's Scifres Family Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering.

Tilgangen har vist, hvordan man kan udnytte et fænomen kaldet Cherenkov-stråling, hvilket normalt er en hindring for at udvikle praktiske mikroresonatorenheder baseret på solitoner.

"Den vigtige nyhed i dette arbejde er, at denne Cherenkov-interaktion ikke kun er skadelig, som det normalt betragtes, men kan faktisk i nogle tilfælde udnyttes til at guide dig til denne pæne rene single soliton, " sagde Weiner. "Så, vi kan bruge Cherenkov-stråling til vores fordel."

Forskerne lærte, at det at have en moderat svag kilde til Cherenkov-stråling fremmer dannelsen af ​​enkelte solitoner.

"Vi opdagede, at hvis styrken er helt rigtig, kan den guide dig til at få en enkelt soliton, hvilket er rigtig nyttigt, " sagde Weiner.

Resultaterne er detaljerede i forskningspapir offentliggjort den 22. august i tidsskriftet Optica . Artiklens hovedforfatter var Purdue postdoktorale forskningsassistent Chengying Bao.

Solitoner er korte og meget stabile lysimpulser, der dannes i mikroringresonatoren og forplanter sig stabilt rundt om ringen på en cirkulær måde.

"En gang hver gang, en lille del af solitonens kraft kobles ud af ringen, hvor den er tilgængelig til brug i målinger og applikationer, " sagde Weiner.

Dette sker med jævne mellemrum hundreder af milliarder af gange i sekundet, fordi en tur rundt i den lille struktur kun tager nogle få picosekunder, eller billioner af et sekund.

Sådanne periodiske sekvenser af optiske impulser danner en "frekvenskam", der indeholder et stort antal optiske frekvenser med lige stor afstand. Frekvenskamme blev demonstreret fra "tilstandslåste" lasere for mere end 15 år siden, med revolutionerende indvirkning på en bred vifte af præcisionsmålingsteknologier og førte til Nobelprisen i fysik i 2005. mode-locked lasere er relativt store og dyre, som hindrer udsendelse uden for specialiserede laboratorier, sagde Weiner.

Mikroringene, der blev brugt i Purdue-undersøgelsen, har en radius på omkring 100 mikrometer (ca. tykkelsen af ​​et ark papir) og er fremstillet med en tynd film af siliciumnitrid, et materiale, der er kompatibelt med siliciummateriale, der bruges til elektronik. Følgelig, mikroresonatorer giver mulighed for mindre, billigere optiske frekvenskamme, der kan være kompatible med udbredte applikationer.

Når der er mere end én soliton i mikroringen, forskellige spektrallinjer, eller farver af lys i kammen, kan variere i styrke.

"Nogle vil være højere magt, men nogle vil være meget svagere og ikke nyttige til applikationer, " sagde Weiner.

Imidlertid, generering af kun en enkelt soliton i mikroringen fremmer en glat kam.

"At være i stand til at garantere en glat konvolut ved at generere enkelte solitoner, så du ikke mangler nogle af deres magt, ville være meget nyttigt, " han sagde.

At producere solitoner kræver generelt en præcis kontrol og tuning af en "kontinuerlig bølgepumpelaser." At generere kun en enkelt soliton kræver endnu mere kompleks tuning, gør denne bedrift vanskelig. Imidlertid, de nye resultater tyder på, at det er muligt at producere enkelte solitoner passivt, markant forenkling af kontrolprocessen ved at udnytte den optiske Cherenkov-stråling.

"For at opnå en enkelt soliton operation, tabet af energi til Cherenkov-strålingen bør hverken være for svagt eller for stærkt, " sagde Weiner. "I øjeblikket tillader fremstillingsprocessen ikke tilstrækkelig kontrol over styrken af ​​Cherenkov-strålingen."

Imidlertid, fremtidigt arbejde kan udforske måder til mere aktivt at kontrollere effekten med mere sofistikerede design baseret på kobling mellem to tætsiddende mikroringe, som kan indstilles termisk ved at opvarme dem.

De enkelte soliton kamme kunne muliggøre transmission af hundredvis af uafhængige kommunikationskanaler i optiske fibre, præcise multi-frekvens optiske sensorer, der registrerer luftbårne forurenende stoffer til miljøovervågning, og ultrapræcise "optiske ure" til tidtagning eller navigation.

"Miljøovervågning er virkelig begyndt at ske med større frekvenskamme baseret på lasere, men kan vi gøre det med chip-skala kilder til lavere omkostninger til udbredt brug?" Weiner sagde. "Vi er der ikke endnu, men potentialet er lovende."

Papiret er forfattet af Bao; Yi Xuan, en forskningsassistent professor ved Purdues Birck Nanotechnology Center; seniorforsker Daniel E. Leaird; Stefan Wabnitz, en forsker fra Università di Brescia i Italien; Minghao Qi, en Purdue-professor i elektro- og computerteknik; og Weiner.