Een enkele laser wordt door een microscopisch kleine kam geschoten, die zich splitst in een regenboog van kleuren. Het gebeurt allemaal op een zeer gecontroleerde manier op een kleine fotonische resonator, en zou de weg kunnen banen naar nauwkeurigere klokken, de ontdekking van exoplaneten en verbeterde GPS-systemen.

Onderzoekers ontwikkelden de eerste chip in zijn soort - gebruikmakend van wat bekend staat als het Pockels-effect - in het laboratorium van Hong Tang, de Llewellyn West Jones, Jr. Hoogleraar Elektrotechniek, Technische Natuurkunde &Natuurkunde. De resultaten van hun werk zijn gepubliceerd in Natuurfotonica .

"Dit werk ontrafelt een nieuw natuurkundig proces om frequentiekammen te produceren, Tang zei. "We gebruiken een fotonisch materiaal met een symmetrie-brekende kristalstructuur - dit soort Pockels-materiaal biedt een sterkere optische niet-lineariteit dan die conventioneel gebruikte materialen."

De chip is voorzien van een microkam, een extreem klein optisch apparaat dat de enkele kleur van één laser omzet in een reeks gelijkmatig verdeelde kleuren - een effect dat belangrijk is voor toepassingen zoals spectroscopie. traditioneel, dit wordt gedaan met zogenaamde Kerr-microkammen, die effectief zijn maar veel kracht vergen. wetenschappers, Hoewel, waren lang geïntrigeerd door de mogelijkheid om microkammen te gebruiken op basis van het Pockels-effect om de kracht te vergroten, en konden dit ongeveer 10 jaar geleden eindelijk doen in grote holtes van ongeveer een halve meter lang. Het verschil tussen de twee is dat de laser in een Kerr-kam de kleuren van de lasers intensiveert om een ​​kam te maken, terwijl de Pockels-kam ontstaat wanneer de laser herhaaldelijk zijn frequentie verdubbelt en halveert, die de kleur bepaalt. Terwijl de Pockels-microkam een ​​veel sterker effect heeft, het is ook erg moeilijk te controleren.

Een manier om controle te krijgen is met het gebruik van een soliton, een eenzame golf die constant beweegt en zonder energie te verliezen. Solitonen kunnen in de natuur voorkomen, zoals in water (ze werden voor het eerst waargenomen op een brug in Schotland door een 19e-eeuwse Schotse ingenieur die een enkele golf kilometers ver zag reizen). Ze komen ook voor bij licht, en - zoals de wetten van de natuurkunde beloven - zou van cruciaal belang zijn bij het beheersen van de lasers die door de Pockels-microkam zijn gemaakt. Iemand aan het werk krijgen met een microkam, Hoewel, was lange tijd ongrijpbaar gebleken voor wetenschappers.

"Zonder de soliton, het is gewoon een stel lasers die allemaal hun eigen ding doen - het is alsof je katten probeert te hoeden, " zei Alex Bruch, hoofdauteur van de studie en een voormalig Ph.D. student in Tang's lab. Met de solitonstaat, Hoewel, het is als een goed getraind legerkorps dat ordelijk kan marcheren en hun krachten kan bundelen. ""Het is ongelooflijk moeilijk om echte wetenschap te doen met een lichtbron die willekeurig op je afwisselt. De soliton is geweldig omdat het een mooie, voorspelbare optische puls die u voor bijna elke gewenste toepassing kunt gebruiken. Mensen hebben lang gedacht dat dit zou moeten bestaan, maar het was erg moeilijk om er een te maken of te observeren in een laboratorium. Het belangrijkste van onze krant is dat dit de eerste keer is dat we die soliton aan het werk kunnen krijgen."

Het Tang-lab maakt als eerste een soliton van Pockels op microschaal, en een groot deel van hun succes is te danken aan de kleinschaligheid waarin ze werkten. zo'n apparaat neemt de ruimte in van een kleine schoenendoos. Maar het lab van Tang is gespecialiseerd in nanofotonica, waarin alles drastisch wordt verkleind. Ze gebruiken een microfabricagetechniek waarmee ze het licht op de chip kunnen schieten en meerdere kleuren worden gegenereerd in een ring die niet groter is dan de breedte van een mensenhaar.

"We kunnen alles heel mooi regelen op een kleine chip - de temperatuur, de geometrie - en het blijkt dat door alles te verkleinen, je hebt ook de fysica verbeterd omdat je al deze golven dwingt om met elkaar te interageren in een kleine ruimte, "" zei Bruch.

Niet alleen was het effect sterker, maar het was ook een stuk efficiënter dan het gebruik van de traditionele Kerr-microkam. Een Kerr-microkam bereikt typisch een conversieratio van ongeveer 2-3%, terwijl hun Pockels-microkam - bij de eerste poging - 17% behaalde.

Bruch zei dat ze van plan zijn om voort te bouwen op dit onderzoek door manieren te vinden om de bandbreedte te verbreden - dat wil zeggen, het aantal kleuren dat door de laser wordt gegenereerd.