Onderzoekers zijn een stap dichter bij het benutten van enkele lichtpulsen, solitonen genaamd, met behulp van kleine ringvormige microresonatoren, in bevindingen die zouden kunnen helpen bij het ontwikkelen van geavanceerde sensoren, high-speed optische communicatie en onderzoeksinstrumenten.

De solitonen kunnen benutten met apparaten die klein genoeg zijn om op een elektronische chip te passen, zou een groot aantal toepassingen kunnen opleveren, van optische miniatuursensoren die chemicaliën en biologische verbindingen detecteren, tot zeer nauwkeurige spectroscopie- en optische communicatiesystemen die grotere hoeveelheden informatie met een betere kwaliteit verzenden.

Onderzoekers zijn erin geslaagd om consequent meerdere solitons tegelijk en enkele solitons te creëren; echter, relatief gecompliceerde "actieve afstemming" of controle nodig is. Nutsvoorzieningen, nieuwe bevindingen beschrijven een passieve methode die de noodzaak van actieve controle voor het genereren van één soliton omzeilt.

"Ons werk heeft een nieuwe manier gevonden om dit systeem naar een enkele stabiele soliton te leiden, " zei Andrew M. Weiner, Purdue University's Scifres Family Distinguished Professor in Electrical and Computer Engineering.

De aanpak heeft laten zien hoe je gebruik kunt maken van een fenomeen dat Cherenkov-straling wordt genoemd, wat normaal gesproken een belemmering is voor het ontwikkelen van praktische microresonatorapparaten op basis van solitonen.

"De belangrijke nieuwigheid van dit werk is dat deze Cherenkov-interactie niet alleen schadelijk is, zoals het gewoonlijk wordt beschouwd, maar kan in sommige gevallen zelfs worden gebruikt om je naar deze mooie schone enkele soliton te leiden, "Zei Weiner. "Dus, we kunnen Cherenkov-straling in ons voordeel gebruiken."

De onderzoekers ontdekten dat het hebben van een matig zwakke bron van Cherenkov-straling de vorming van enkele solitonen bevordert.

"We ontdekten dat als de kracht precies goed is, het je kan leiden naar het krijgen van een enkele soliton, wat erg handig is, ' zei Weiner.

Bevindingen zijn gedetailleerd in onderzoekspaper gepubliceerd op 22 augustus in het tijdschrift optiek . De hoofdauteur van het artikel was Purdue, postdoctoraal onderzoeksmedewerker Chengying Bao.

Solitonen zijn korte en zeer stabiele lichtpulsen die zich in de microringresonator vormen en zich stabiel rond de ring op een cirkelvormige manier voortplanten.

"Een keer per keer, een klein deel van het vermogen van de soliton komt uit de ring waar het beschikbaar is voor gebruik in metingen en toepassingen, ' zei Weiner.

Dit gebeurt periodiek honderden miljarden keren per seconde omdat een reis rond de kleine structuur slechts een paar picoseconden duurt, of biljoensten van een seconde.

Dergelijke periodieke opeenvolgingen van optische pulsen vormen een "frequentiekam" die een groot aantal op gelijke afstand van elkaar gelegen optische frequenties bevat. Frequentiekammen werden meer dan 15 jaar geleden gedemonstreerd van "mode-locked" lasers, met revolutionaire gevolgen voor een breed scala aan precisiemeettechnologieën en die in 2005 leidden tot de Nobelprijs voor de natuurkunde. Mode-locked lasers zijn relatief groot en duur, die de inzet buiten gespecialiseerde laboratoria belemmert, zei Weiner.

De microringen die in het Purdue-onderzoek zijn gebruikt, hebben een straal van ongeveer 100 micrometer (ongeveer de dikte van een vel papier) en zijn vervaardigd met een dunne film van siliciumnitride, een materiaal dat compatibel is met siliciummateriaal dat wordt gebruikt voor elektronica. Bijgevolg, microresonatoren bieden mogelijkheden voor kleinere, goedkopere optische frequentiekammen die compatibel kunnen zijn met wijdverbreide toepassingen.

Als er meer dan één soliton in de microring zit, verschillende spectraallijnen, of kleuren van licht in de kam, kan variëren in sterkte.

"Sommigen zullen een hogere macht hebben, maar sommige zullen veel zwakker zijn en niet bruikbaar voor toepassingen, ' zei Weiner.

Echter, het genereren van slechts een enkele soliton in de microring bevordert een gladde kam.

"In staat zijn om een ​​gladde envelop te garanderen door enkele solitons te genereren, zodat sommigen niet het grootste deel van hun kracht missen, zou erg handig zijn, " hij zei.

Het produceren van solitonen vereist in het algemeen een nauwkeurige besturing en afstemming van een "continue golfpomplaser". Het genereren van slechts één soliton vereist een nog complexere afstemming, deze prestatie moeilijk maken. Echter, de nieuwe bevindingen suggereren dat het mogelijk is om passief enkele solitonen te produceren, het regelproces aanzienlijk vereenvoudigen door gebruik te maken van de optische Cherenkov-straling.

"Om een ​​enkele soliton-operatie te verkrijgen, het verlies van energie aan de Cherenkov-straling mag niet te zwak of te sterk zijn, "Zei Weiner. "Op dit moment biedt het fabricageproces onvoldoende controle over de sterkte van de Cherenkov-straling."

Echter, toekomstig werk kan manieren onderzoeken om het effect actiever te beheersen met meer geavanceerde ontwerpen op basis van koppeling tussen twee dicht bij elkaar gelegen microringen, die thermisch kunnen worden afgestemd door ze te verwarmen.

De enkele solitonkammen zouden transmissie van honderden onafhankelijke communicatiekanalen in optische vezels mogelijk maken, nauwkeurige optische sensoren met meerdere frequenties die verontreinigende stoffen in de lucht detecteren voor milieumonitoring, en ultraprecieze "optische klokken" voor tijdregistratie of navigatie.

"Milieumonitoring begint echt te gebeuren met grotere frequentiekammen op basis van lasers, maar kunnen we dat doen met bronnen op chipschaal tegen lagere kosten voor wijdverbreid gebruik?" zei Weiner. "We zijn er nog niet, maar het potentieel is veelbelovend."

Het papier is geschreven door Bao; Yi Xuan, een onderzoeksassistent-professor bij Purdue's Birck Nanotechnology Center; senior onderzoeker Daniel E. Leaird; Stefan Wabnitz, een onderzoeker van de Università di Brescia in Italië; Minghao Qi, een Purdue-professor in elektrische en computertechniek; en Weiner.