Optiske frekvenskamme med en ny dimension

Periodiske lysimpulser, der danner en kam i frekvensdomænet, bruges i vid udstrækning til sansning og spænding. Nøglen til miniaturisering af denne teknologi mod chipintegrerede løsninger er dannelsen af ​​dissipative solitons i ringformede mikroresonatorer. Dissipative solitons er stabile pulser, der cirkulerer omkring omkredsen af ​​en ikke -lineær resonator.

Siden deres første demonstration, processen med dissipativ dannelse af soliton er blevet grundigt undersøgt, og i dag betragtes det som lærebogskundskab. Flere retninger for videre udvikling undersøges aktivt af forskellige forskningsgrupper verden over. En af disse retninger er dannelsen af ​​solitoner i koblede resonatorer. Den kollektive effekt af mange resonatorer lover bedre ydeevne og kontrol over frekvenskamme, udnytter en anden (rumlig) dimension.

Men hvordan ændrer koblingen af ​​yderligere resonatorer solitongenereringsprocessen? Identiske oscillatorer af enhver art, der påvirker hinanden, kan ikke længere betragtes som et sæt adskilte elementer. På grund af hybridiseringsfænomenet ophidselsen af ​​et sådant system påvirker alle dets elementer, og systemet skal behandles som en helhed. Det enkleste tilfælde, når hybridiseringen finder sted, er to koblede oscillatorer eller, i molekylær terminologi, en dimer. Samt koblede pendler og atomer, der danner et molekyle, tilstande af koblede optiske mikroresonatorer oplever hybridisering, men i modsætning til andre systemer, antallet af involverede tilstande er stort (typisk fra tiere til hundredvis). Derfor, solitoner i en fotonisk dimer genereres i hybridiserede tilstande, der involverer begge resonatorer, hvilket tilføjer endnu en grad af kontrol, hvis man har adgang til hybridiseringsparametre.

I et papir udgivet i Naturfysik , forskere fra laboratoriet af Tobias J. Kippenberg ved EPFL, og IBM Research Europe ledet af Paul Seidler demonstrerede dannelsen af ​​dissipative solitons og, derfor, kohærente frekvenskamme i et fotonisk molekyle lavet af to mikroresonatorer. Genereringen af ​​en soliton i dimeren indebærer to modspredende solitoner i begge resonatorringe. Det underliggende elektriske felt bag hver tilstand i dimeren ligner to gear, der drejer i modsatte retninger, derfor kaldes solitoner i den fotoniske dimer Gear Solitons. Prægning af varmeapparater på begge resonatorer, og derved kontrollere hybridiseringen, forfattere demonstrerede real-time tuning af den soliton-baserede frekvenskam.

Selv det enkle dimer -arrangement, udover den hybridiserede (gear) soliton -generation, har vist en række nye fænomener, dvs. fænomener, der ikke er til stede på enkeltpartikel (resonator) niveau. For eksempel, forskere forudsagde effekten af ​​solitonhopping:periodisk energiudveksling mellem resonatorerne, der danner dimeren, samtidig med at den solitoniske tilstand bevares. Dette fænomen er resultatet af samtidig generering af solitoner i begge hybridiserede modefamilier, hvis interaktion fører til energisvingning. Soliton hopper, for eksempel, kan bruges til generering af konfigurerbare kamme i radiofrekvensdomænet.

"Fysikken i soliton -generation i en enkelt resonator er relativt godt forstået i dag, "siger Alexey Tikan, en forsker ved Laboratory of Photonics and Quantum Measurements, EPFL. "Feltet undersøger andre udviklings- og forbedringsretninger. Sammenkoblede resonatorer er et af få sådanne perspektiver. Denne tilgang gør det muligt at anvende begreber fra tilstødende fysikområder. F.eks. man kan danne en topologisk isolator (kendt inden for faststoffysik) ved at koble resonatorer i et gitter, hvilket vil føre til generering af robuste frekvenskamme, der er immun over for gitterets defekter, og samtidig drage fordel af den forbedrede effektivitet og yderligere grader af kontrol. Vores arbejde gør et skridt mod disse fascinerende ideer. "