Xu Yi, assistent-professor elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Virginia, werkte samen met de groep van Yun-Feng Xiao van de Universiteit van Peking en onderzoekers van Caltech om de breedste geregistreerde spectrale spanwijdte in een microkam te bereiken.

Hun peer-reviewed artikel, "Chaos-geassisteerde microkammen met twee octaven, " werd gepubliceerd op 11 mei, 2020, in Natuurcommunicatie , een multidisciplinair tijdschrift gewijd aan het publiceren van hoogwaardig onderzoek op alle gebieden van de biologische, Gezondheid, fysiek, scheikunde en aardwetenschappen.

Yi en Xiao hebben dit werk samen begeleid en zijn de corresponderende auteurs. Co-auteurs zijn onder andere Hao-Jing Chen, Qing-Xin Ji, Qi Tao Cao, Qihuang Gong aan de Universiteit van Peking, en Heming Wang en Qi-Fan Yang bij Caltech. Yi's groep wordt gesponsord door de Amerikaanse National Science Foundation. Xiao's groep wordt gefinancierd door de National Natural Science Foundation of China en het National Key Research and Development Program van China.

Het team paste de chaostheorie toe op een specifiek type fotonisch apparaat, een op microresonator gebaseerde frequentiekam. of microkam. De microkam converteert efficiënt fotonen van enkele naar meerdere golflengten. De onderzoekers toonden de breedste (d.w.z. meest kleurrijke) microkam spectrale spanwijdte ooit geregistreerd. Naarmate fotonen zich ophopen en hun beweging intensiveert, de frequentiekam genereert licht in het ultraviolet tot infrarood spectrum.

"Het is alsof je een monochrome toverlantaarn verandert in een technicolor filmprojector, "Zei Yi. Het brede spectrum van licht dat door de fotonen wordt gegenereerd, vergroot zijn bruikbaarheid in spectroscopie, optische klokken en astronomiekalibratie om naar exoplaneten te zoeken.

De microkam werkt door twee onderling afhankelijke elementen te verbinden:een microresonator, dat is een ringvormige structuur op micrometerschaal die de fotonen omhult en de frequentiekam genereert, en een uitgangsbus-golfgeleider. De golfgeleider regelt de lichtemissie:alleen aangepast snelheidslicht kan van de resonator naar de golfgeleider gaan. Zoals Xiao uitlegde, "Het is vergelijkbaar met het vinden van een afrit van een snelweg; hoe snel je ook rijdt, de afrit heeft altijd een snelheidslimiet."

Het onderzoeksteam bedacht een slimme manier om meer fotonen te helpen hun uitgang te vangen. Hun oplossing is om de microresonator zo te vervormen dat er een chaotische lichtbeweging in de ring ontstaat. "Deze chaotische beweging vervormt de lichtsnelheid op alle beschikbare golflengten, " zei co-auteur en lid van het onderzoeksteam van Peking University, Hao-Jing Chen. Wanneer de snelheid in de resonator op een bepaald moment overeenkomt met die van de uitgangsbus-golfgeleider, het licht zal de resonator verlaten en door de golfgeleider stromen.

De adoptie van de chaostheorie door het team is een uitvloeisel van hun eerdere onderzoek naar door chaos ondersteunde breedbandimpulstransformatie in vervormde microholtes, die werd gepubliceerd in Wetenschap in 2017 ( Wetenschap 358, 344-347).

Dit onderzoek bouwt voort op de sterke punten van UVA Engineering in fotonica. Het Charles L. Brown Department of Electrical and Computer Engineering heeft een solide basis in halfgeleidermaterialen en apparaatfysica, die zich uitstrekt tot geavanceerde opto-elektronische apparaten. Yi's microfotonica-lab doet onderzoek naar hoogwaardige geïntegreerde fotonische resonatoren, met een dubbele focus op op microresonator gebaseerde optische frequentiekammen en op continue variabelen gebaseerde fotonische kwantumcomputers.

"De introductie van chaos en holtevervorming zorgt niet alleen voor een nieuw mechanisme, maar ook een extra mate van vrijheid bij het ontwerpen van fotonische apparaten, "Zei Yi. "Dit zou het optica- en fotonica-onderzoek in kwantumcomputers en andere toepassingen die van vitaal belang zijn voor toekomstige economische groei en duurzaamheid, kunnen versnellen."

Natuurcommunicatie publiceerde dit onderzoek op 11 mei, 2020.