Periodieke lichtpulsen die een kam vormen in het frequentiedomein worden veel gebruikt voor detectie en afstandsbepaling. De sleutel tot de miniaturisering van deze technologie naar chip-geïntegreerde oplossingen is het genereren van dissipatieve solitonen in ringvormige microresonatoren. Dissipatieve solitonen zijn stabiele pulsen die rond de omtrek van een niet-lineaire resonator circuleren.

Sinds hun eerste demonstratie, het proces van dissipatieve solitonvorming is uitgebreid bestudeerd en wordt tegenwoordig beschouwd als leerboekkennis. Verschillende richtingen van verdere ontwikkeling worden actief onderzocht door verschillende onderzoeksgroepen wereldwijd. Een van deze richtingen is het genereren van solitonen in gekoppelde resonatoren. Het collectieve effect van veel resonatoren belooft betere prestaties en controle over de frequentiekammen, het exploiteren van een andere (ruimtelijke) dimensie.

Maar hoe verandert de koppeling van extra resonatoren het solitongeneratieproces? Identieke oscillatoren van welke aard dan ook die elkaar beïnvloeden, kunnen niet langer worden beschouwd als een reeks afzonderlijke elementen. Door het hybridisatiefenomeen de bekrachtiging van zo'n systeem beïnvloedt al zijn elementen, en het systeem moet als een geheel worden behandeld. Het eenvoudigste geval wanneer de hybridisatie plaatsvindt, zijn twee gekoppelde oscillatoren of, in moleculaire terminologie, een dimeer. Naast gekoppelde slingers en atomen die een molecuul vormen, modi van gekoppelde optische microresonators ervaren hybridisatie, maar in tegenstelling tot andere systemen, het aantal betrokken modi is groot (meestal van tientallen tot honderden). Daarom, solitonen in een fotonisch dimeer worden gegenereerd in gehybridiseerde modi waarbij beide resonatoren betrokken zijn, wat een extra mate van controle toevoegt als men toegang heeft tot hybridisatieparameters.

In een paper gepubliceerd in Natuurfysica , onderzoekers van het laboratorium van Tobias J. Kippenberg bij EPFL, en IBM Research Europe onder leiding van Paul Seidler demonstreerden het genereren van dissipatieve solitonen en, daarom, coherente frequentiekammen in een fotonisch molecuul gemaakt van twee microresonatoren. Het genereren van een soliton in het dimeer impliceert twee tegengesteld voortplantende solitonen in beide resonatorringen. Het onderliggende elektrische veld achter elke modus van het dimeer lijkt op twee tandwielen die in tegengestelde richting draaien, daarom worden solitonen in het fotonische dimeer Gear Solitons genoemd. Opdruk verwarmingselementen op beide resonatoren, en daarmee de hybridisatie te beheersen, auteurs demonstreerden de real-time afstemming van de op soliton gebaseerde frequentiekam.

Zelfs de eenvoudige dimeropstelling, naast de gehybridiseerde (gear) soliton generatie, heeft een verscheidenheid aan opkomende verschijnselen aangetoond, d.w.z. verschijnselen die niet aanwezig zijn op het niveau van één deeltje (resonator). Bijvoorbeeld, onderzoekers voorspelden het effect van soliton-hopping:periodieke energie-uitwisseling tussen de resonatoren die het dimeer vormen terwijl de solitonische toestand behouden blijft. Dit fenomeen is het resultaat van gelijktijdige generatie van solitonen in beide families van gehybridiseerde modus waarvan de interactie leidt tot energie-oscillatie. Soliton hoppen, bijvoorbeeld, kan worden gebruikt voor het genereren van configureerbare kammen in het radiofrequentiedomein.

"De fysica van solitongeneratie in een enkele resonator is tegenwoordig relatief goed begrepen, " zegt Alexey Tikan, een onderzoeker bij het Laboratorium voor Fotonica en Kwantummetingen, EPFL. "Het veld onderzoekt andere richtingen van ontwikkeling en verbetering. Gekoppelde resonatoren zijn een van de weinige van dergelijke perspectieven. Deze benadering zal het mogelijk maken om concepten uit aangrenzende gebieden van de natuurkunde te gebruiken. Bijvoorbeeld, men kan een topologische isolator vormen (bekend in de vastestoffysica) door resonatoren in een rooster te koppelen, wat zal leiden tot het genereren van robuuste frequentiekammen die immuun zijn voor de defecten van het rooster, en tegelijkertijd profiteren van de verhoogde efficiëntie en extra mate van controle. Ons werk maakt een stap in de richting van deze fascinerende ideeën."