Forskere opnår det bredeste mikrokamspektrale spændvidde nogensinde

Xu Yi, assisterende professor i elektro- og computerteknik ved University of Virginia, samarbejdet med Yun-Feng Xiaos gruppe fra Peking University og forskere ved Caltech for at opnå det bredeste registrerede spektralspænd i en mikrokam.

Deres fagfællebedømte papir, "Kaos-assisteret to-oktav-spændende mikrokamme, " blev offentliggjort 11. maj, 2020, i Naturkommunikation , et multidisciplinært tidsskrift dedikeret til at publicere forskning af høj kvalitet inden for alle områder af det biologiske, sundhed, fysisk, kemi og geovidenskab.

Yi og Xiao overvågede dette arbejde og er de tilsvarende forfattere. Medforfattere inkluderer Hao-Jing Chen, Qing-Xin Ji, Qi-Tao Cao, Qihuang Gong ved Peking University, og Heming Wang og Qi-Fan Yang hos Caltech. Yis gruppe er sponsoreret af U.S. National Science Foundation. Xiaos gruppe er finansieret af National Natural Science Foundation of China og National Key Research and Development Program of China.

Holdet anvendte kaosteori på en specifik type fotonisk enhed kaldet en mikroresonator-baseret frekvenskam, eller mikrokam. Mikrokammen konverterer effektivt fotoner fra enkelte til flere bølgelængder. Forskerne viste det bredeste (dvs. mest farverige) mikrokamspektralspænd, der nogensinde er registreret. Når fotoner akkumuleres og deres bevægelse intensiveres, frekvenskammen genererer lys i det ultraviolette til infrarøde spektrum.

"Det er som at forvandle en monokrom magisk lanterne til en technicolor filmprojektor, " sagde Yi. Det brede spektrum af lys genereret fra fotonerne øger dets anvendelighed i spektroskopi, optiske ure og astronomikalibrering til at søge efter exoplaneter.

Mikrokammen fungerer ved at forbinde to indbyrdes afhængige elementer:en mikroresonator, som er en ringformet struktur i mikrometerskala, der omslutter fotonerne og genererer frekvenskammen, og en udgangsbus-bølgeleder. Bølgelederen regulerer lysemissionen:kun matchet hastighedslys kan komme ud fra resonatoren til bølgelederen. Som Xiao forklarede, "Det svarer til at finde en frakørselsrampe fra en motorvej; uanset hvor hurtigt du kører, afkørslen har altid en hastighedsgrænse."

Forskerholdet fandt ud af en smart måde at hjælpe flere fotoner med at fange deres udgang. Deres løsning er at deformere mikroresonatoren på en måde, der skaber kaotisk lysbevægelse inde i ringen. "Denne kaotiske bevægelse forvrider lysets hastighed ved alle tilgængelige bølgelængder, " sagde medforfatter og medlem af Peking University forskerteam Hao-Jing Chen. Når hastigheden i resonatoren matcher den af ​​output bus-waveguide på et bestemt tidspunkt, lyset vil forlade resonatoren og strømme gennem bølgelederen.

Holdets vedtagelse af kaosteori er en udløber af deres tidligere undersøgelse om kaos-assisteret bredbåndsmomentumtransformation i deformeret mikrohulrum, som blev offentliggjort i Videnskab i 2017 ( Videnskab 358, 344-347).

Denne forskning bygger på UVA Engineerings styrker inden for fotonik. Charles L. Brown Department of Electrical and Computer Engineering har et solidt fundament inden for halvledermaterialer og enhedsfysik, der strækker sig til avancerede optoelektroniske enheder. Yis mikrofotoniklaboratorium forsker i integrerede fotoniske resonatorer af høj kvalitet, med dobbelt fokus på mikroresonator-baserede optiske frekvenskamme og kontinuerlig-variabel-baseret fotonisk kvanteberegning.

"Introduktionen af ​​kaos og hulrumsdeformation giver ikke kun en ny mekanisme, men også en ekstra grad af frihed til at designe fotoniske enheder, " sagde Yi. "Dette kan accelerere optik og fotonik forskning i kvantecomputere og andre applikationer, der er afgørende for fremtidig økonomisk vækst og bæredygtighed."

Naturkommunikation offentliggjorde denne forskning den 11. maj, 2020.