Optiska mikroresonatorer omvandlar laserljus till ultrakorta pulser som rör sig runt resonatorns omkrets. Dessa pulser, kallade "dissipativa Kerr-solitoner, " kan fortplanta sig i mikroresonatorn och behålla sin form.

När solitoner lämnar mikroresonatorn, utgångsljuset har formen av ett pulståg - en serie upprepade pulser med fasta intervall. I detta fall, upprepningshastigheten för pulserna bestäms av mikroresonatorns storlek. Mindre storlekar möjliggör pulståg med hög repetitionsfrekvens, når hundratals gigahertz i frekvens. Dessa kan användas för att öka prestandan hos optiska kommunikationslänkar eller bli en kärnteknologi för ultrasnabb LiDAR med submikron precision.

Spännande hursomhelst, denna teknik lider av vad forskare kallar "ljusböjningsförluster" - förlust av ljus som orsakas av strukturella krökar i dess väg. Ett välkänt problem inom fiberoptik, ljusböjningsförlust betyder också att storleken på mikroresonatorer inte kan sjunka under några tiotals mikron. Detta begränsar därför de maximala repetitionsfrekvenserna vi kan uppnå för pulser.

Publicerar i Naturfysik , forskare från Tobias J. Kippenbergs labb vid EPFL har nu hittat ett sätt att kringgå denna begränsning och koppla ur pulsupprepningshastigheten från mikroresonatorstorleken genom att generera flera solitoner i en enda mikroresonator.

Forskarna upptäckte ett sätt att så mikroresonatorn med största möjliga antal dissipativa Kerr-solitoner med exakt lika avstånd mellan dem. Denna nya ljusbildning kan ses som en optisk analog till atomkedjor i kristallina fasta ämnen, och så kallade forskarna dem "perfekta solitonkristaller" (PSC).

På grund av interferometrisk förbättring och det höga antalet optiska pulser, PSC:er multiplicerar på ett koherent sätt prestandan hos det resulterande pulståget – inte bara dess repetitionsfrekvens, men också dess kraft.

Forskarna undersökte också dynamiken i PSC -formationer. Trots deras välorganiserade struktur, de verkar vara nära kopplade till optiskt kaos, ett fenomen som orsakas av ljusinstabilitet i optiska mikroresonatorer, vilket också är vanligt för halvledarbaserade och fiberlasersystem.

"Våra resultat gör det möjligt att generera optiska pulståg med ultrahöga repetitionsfrekvenser med flera terahertz, använder vanliga mikroresonatorer, "säger forskaren Maxim Karpov." Dessa kan användas för flera applikationer inom spektroskopi, avståndsmätningar, och som en källa till lågbrus terahertzstrålning med ett fotavtryck i chipstorlek."

Under tiden, den nya förståelsen av soliton -dynamik i optiska mikroresonatorer och beteendet hos PSC öppnar nya vägar till den grundläggande fysiken för solitonensembler i olinjära system.