Optische microresonatoren zetten laserlicht om in ultrakorte pulsen die rond de omtrek van de resonator reizen. Deze pulsen, genaamd "dissipatieve Kerr solitons, " kunnen zich in de microresonator voortplanten en hun vorm behouden.

Wanneer solitonen de microresonator verlaten, het uitgangslicht heeft de vorm van een pulstrein - een reeks herhalende pulsen met vaste intervallen. In dit geval, de herhalingssnelheid van de pulsen wordt bepaald door de grootte van de microresonator. Kleinere maten maken pulstreinen met hoge herhalingsfrequenties mogelijk, het bereiken van honderden gigahertz in frequentie. Deze kunnen worden gebruikt om de prestaties van optische communicatieverbindingen te verbeteren of een kerntechnologie te worden voor ultrasnelle LiDAR met submicron-precisie.

Hoe spannend het ook is, deze technologie lijdt onder wat wetenschappers 'lichtbuigingsverliezen' noemen - verlies van licht veroorzaakt door structurele buigingen op zijn pad. Een bekend probleem in glasvezel, lichtbuigingsverlies betekent ook dat de grootte van microresonatoren niet onder enkele tientallen microns kan vallen. Dit beperkt daarom de maximale herhalingsfrequenties die we voor pulsen kunnen bereiken.

Publiceren in Natuurfysica , onderzoekers van het lab van Tobias J. Kippenberg bij EPFL hebben nu een manier gevonden om deze beperking te omzeilen en de pulsherhalingsfrequentie los te koppelen van de microresonatorgrootte door meerdere solitonen in een enkele microresonator te genereren.

De wetenschappers ontdekten een manier om de microresonator te zaaien met het maximaal mogelijke aantal dissipatieve Kerr-solitonen met precies gelijke tussenruimten. Deze nieuwe vorming van licht kan worden gezien als een optische analoog van atoomketens in kristallijne vaste stoffen, en daarom noemden de onderzoekers ze "perfecte solitonkristallen" (PSC's).

Door interferometrische verbetering en het hoge aantal optische pulsen, PSC's vermenigvuldigen op coherente wijze de prestaties van de resulterende pulstrein - niet alleen de herhalingssnelheid, maar ook zijn kracht.

De onderzoekers onderzochten ook de dynamiek van PSC-formaties. Ondanks hun sterk georganiseerde structuur, ze lijken nauw verbonden te zijn met optische chaos, een fenomeen veroorzaakt door lichtinstabiliteiten in optische microresonatoren, wat ook gebruikelijk is voor op halfgeleiders gebaseerde en fiberlasersystemen.

"Onze bevindingen maken het mogelijk optische pulstreinen te genereren met ultrahoge herhalingsfrequenties met verschillende terahertz, met behulp van reguliere microresonatoren, ", zegt onderzoeker Maxim Karpov. "Deze kunnen voor meerdere toepassingen in spectroscopie worden gebruikt, afstandsmetingen, en als een bron van geluidsarme terahertz-straling met een chip-size footprint."

In de tussentijd, het nieuwe begrip van soliton-dynamiek in optische microresonatoren en het gedrag van PSC's opent nieuwe wegen naar de fundamentele fysica van soliton-ensembles in niet-lineaire systemen.