Xu Yi, biträdande professor i el- och datateknik vid University of Virginia, samarbetade med Yun-Feng Xiaos grupp från Peking University och forskare vid Caltech för att uppnå det bredaste registrerade spektralspännet i en mikrokam.

Deras peer-reviewed papper, "Kaosassisterade mikrokammar med två oktavspännande, " publicerades 11 maj, 2020, i Naturkommunikation , en multidisciplinär tidskrift tillägnad att publicera högkvalitativ forskning inom alla områden av den biologiska, hälsa, fysisk, kemi och geovetenskap.

Yi och Xiao samövervakade detta arbete och är motsvarande författare. Medförfattare inkluderar Hao-Jing Chen, Qing-Xin Ji, Qi-Tao Cao, Qihuang Gong vid Peking University, och Heming Wang och Qi-Fan Yang på Caltech. Yis grupp sponsras av U.S. National Science Foundation. Xiaos grupp finansieras av National Natural Science Foundation of China och National Key Research and Development Program of China.

Teamet tillämpade kaosteori på en specifik typ av fotonisk enhet som kallas en mikroresonatorbaserad frekvenskam, eller mikrokam. Mikrokammen omvandlar effektivt fotoner från enkla till flera våglängder. Forskarna visade det bredaste (dvs. mest färgstarka) mikrokamspektrala spann som någonsin registrerats. När fotoner ackumuleras och deras rörelse intensifieras, frekvenskammen genererar ljus i det ultravioletta till infraröda spektrumet.

"Det är som att förvandla en monokrom trolllykta till en technicolor filmprojektor, " sa Yi. Det breda spektrum av ljus som genereras från fotonerna ökar dess användbarhet i spektroskopi, optiska klockor och astronomikalibrering för att söka efter exoplaneter.

Mikrokammen fungerar genom att ansluta två inbördes beroende element:en mikroresonator, som är en ringformad struktur i mikrometerskala som omsluter fotonerna och genererar frekvenskammen, och en utgångsbuss-vågledare. Vågledaren reglerar ljusemissionen:endast matchat hastighetsljus kan komma ut från resonatorn till vågledaren. Som Xiao förklarade, "Det liknar att hitta en avfart från en motorväg, oavsett hur snabbt du kör, utgången har alltid en hastighetsbegränsning."

Forskargruppen kom på ett smart sätt att hjälpa fler fotoner att fånga deras utgång. Deras lösning är att deformera mikroresonatorn på ett sätt som skapar kaotiska ljusrörelser inuti ringen. "Denna kaotiska rörelse förvränger ljusets hastighet vid alla tillgängliga våglängder, " sa medförfattaren och Peking University forskargruppsmedlem Hao-Jing Chen. När hastigheten i resonatorn matchar den för utgående buss-vågledare vid ett specifikt ögonblick, ljuset kommer att lämna resonatorn och strömma genom vågledaren.

Teamets antagande av kaosteori är ett resultat av deras tidigare studie om kaosassisterad transformation av bredbandsmomentum i deformerad mikrokavitet, som publicerades i Vetenskap under 2017 ( Vetenskap 358, 344-347).

Denna forskning bygger på UVA Engineerings styrkor inom fotonik. Charles L. Browns avdelning för el- och datorteknik har en solid grund inom halvledarmaterial och enhetsfysik som sträcker sig till avancerade optoelektroniska enheter. Yis mikrofotoniklabb bedriver forskning om högkvalitativa integrerade fotoniska resonatorer, med dubbelt fokus på mikroresonatorbaserade optiska frekvenskammar och kontinuerlig-variabelbaserad fotonisk kvantberäkning.

"Införandet av kaos och kavitetsdeformation ger inte bara en ny mekanism, men också en extra grad av frihet när det gäller att designa fotoniska enheter, "Yi sa. "Detta kan påskynda optik- och fotonikforskningen inom kvantberäkningar och andra tillämpningar som är avgörande för framtida ekonomisk tillväxt och hållbarhet."

Naturkommunikation publicerade denna forskning den 11 maj, 2020.