Forskare är ett steg närmare att utnyttja enstaka ljuspulser som kallas solitoner, med små ringformade mikroresonatorer, i fynd som kan hjälpa ansträngningar att utveckla avancerade sensorer, höghastighets optisk kommunikation och forskningsverktyg.

Att kunna utnyttja solitonerna med hjälp av enheter som är tillräckligt små för att passa på ett elektroniskt chip kan ge en mängd applikationer, från optiska miniatyrsensorer som detekterar kemikalier och biologiska föreningar, till högprecisionsspektroskopi och optiska kommunikationssystem som överför större mängder information med bättre kvalitet.

Forskare har varit framgångsrika i att konsekvent skapa flera solitoner åt gången och enstaka solitoner; dock, relativt komplicerad "aktiv tuning" eller kontroll behövs. Nu, nya rön beskriver en passiv metod som kringgår behovet av aktiv kontroll för generering av en enda soliton.

"Vårt arbete har identifierat ett nytt sätt att styra detta system till en enda stabil soliton, " sa Andrew M. Weiner, Purdue Universitys Scifres Family Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering.

Tillvägagångssättet har visat hur man kan utnyttja ett fenomen som kallas Cherenkov-strålning, vilket normalt är ett hinder för att utveckla praktiska mikroresonatorenheter baserade på solitoner.

"Den viktiga nyheten i detta arbete är att denna Cherenkov-interaktion inte bara är skadlig, som man brukar se, men kan faktiskt i vissa fall utnyttjas för att guida dig till denna fina rena singelsoliton, " sa Weiner. "Så, vi kan använda Cherenkov-strålning till vår fördel."

Forskarna lärde sig att ha en måttligt svag källa till Cherenkov-strålning främjar genereringen av enstaka solitoner.

"Vi upptäckte att om styrkan är precis rätt kan den vägleda dig till att få en enda soliton, vilket är riktigt användbart, " sa Weiner.

Resultaten är detaljerade i forskningsrapport som publicerades den 22 augusti i tidskriften Optica . Uppsatsens huvudförfattare var Purdue postdoktorala forskningsassistent Chengying Bao.

Solitoner är korta och mycket stabila ljuspulser som bildas i mikroringsresonatorn och fortplantar sig stabilt runt ringen på ett cirkulärt sätt.

"En gång varje gång, en liten del av solitonens kraft kopplas ut ur ringen där den är tillgänglig för användning i mätningar och applikationer, " sa Weiner.

Detta händer med jämna mellanrum hundratals miljarder gånger per sekund eftersom en resa runt den lilla strukturen bara tar några pikosekunder, eller biljondelar av en sekund.

Sådana periodiska sekvenser av optiska pulser bildar en "frekvenskam" som innehåller ett stort antal lika åtskilda optiska frekvenser. Frekvenskammar demonstrerades från "lägeslåsta" lasrar för mer än 15 år sedan, med revolutionerande inverkan på ett brett utbud av precisionsmättekniker och ledde till Nobelpriset i fysik 2005. lägeslåsta lasrar är relativt stora och dyra, som hindrar utplacering utanför specialiserade laboratorier, sa Weiner.

Mikroringarna som användes i Purdue-studien har en radie på cirka 100 mikrometer (ungefär tjockleken på ett pappersark) och är tillverkade med en tunn film av kiselnitrid, ett material som är kompatibelt med silikonmaterial som används för elektronik. Följaktligen, mikroresonatorer erbjuder potential för mindre, billigare optiska frekvenskammar som kan vara kompatibla med utbredda tillämpningar.

När det finns mer än en soliton i mikroringen, olika spektrallinjer, eller ljusets färger i kammen, kan variera i styrka.

"Vissa kommer att vara högre makt, men vissa kommer att vara mycket svagare och inte användbara för applikationer, " sa Weiner.

Dock, genererar bara en enda soliton i mikroringen främjar en jämn kam.

"Att kunna garantera ett smidigt kuvert genom att generera enstaka solitoner, så att du inte har några som saknar det mesta av deras kraft, skulle vara mycket användbart, " han sa.

Att producera solitoner kräver i allmänhet en exakt kontroll och inställning av en "kontinuerlig vågpumplaser". Att bara generera en enda soliton kräver ännu mer komplex inställning, gör den här bedriften svår. Dock, de nya rönen tyder på att det är möjligt att producera enstaka solitoner passivt, avsevärt förenkla kontrollprocessen genom att dra fördel av den optiska Cherenkov-strålningen.

"För att få en ensam operation, förlusten av energi till Cherenkov-strålningen bör varken vara för svag eller för stark, " Sa Weiner. "För närvarande tillåter tillverkningsprocessen inte tillräcklig kontroll över styrkan hos Cherenkov-strålningen."

Dock, framtida arbete kan utforska sätt att mer aktivt kontrollera effekten med mer sofistikerade konstruktioner baserade på koppling mellan två nära åtskilda mikroringar, som kan ställas in termiskt genom att värma dem.

De enkla solitonkammarna kan möjliggöra överföring av hundratals oberoende kommunikationskanaler i optiska fibrer, exakta optiska flerfrekvenssensorer som upptäcker luftburna föroreningar för miljöövervakning, och ultraexakta "optiska klockor" för tidtagning eller navigering.

"Miljöövervakning börjar verkligen hända med större frekvenskammar baserade på lasrar, men kan vi göra det med källor i chipskala till lägre kostnad för utbredd användning?" sa Weiner. "Vi är inte där än, men potentialen är lovande."

Tidningen skrevs av Bao; Yi Xuan, en forskarassistent vid Purdues Birck Nanotechnology Center; senior forskare Daniel E. Leaird; Stefan Wabnitz, en forskare från Università di Brescia i Italien; Minghao Qi, en Purdue-professor i elektro- och datorteknik; och Weiner.