En enda laser skjuts genom en mikroskopisk kam, som delar sig i en regnbåge av färger. Allt sker på ett mycket kontrollerat sätt på en liten fotonisk resonator, och kan bana väg mot mer exakta klockor, upptäckten av exoplaneter och förbättrade GPS-system.

Forskare utvecklade det första chipet i sitt slag – med vad som kallas Pockels-effekten – i Hong Tangs labb, Llewellyn West Jones, Jr professor i elektroteknik, Tillämpad fysik &fysik. Resultaten av deras arbete publiceras i Nature Photonics .

"Detta arbete avslöjar en ny fysikprocess för att producera frekvenskammar, "Tang sa. "Vi utnyttjar ett fotoniskt material med symmetribrytande kristallstruktur - den här typen av Pockels-material erbjuder en starkare optisk olinjäritet än de konventionellt använda materialen."

Chipet har en mikrokam, en extremt liten optisk enhet som omvandlar den enda färgen i en laser till en rad jämnt fördelade färger – en effekt som är viktig för tillämpningar som spektroskopi. Traditionellt, detta görs med vad som kallas Kerr-mikrokammar, som är effektiva men kräver mycket kraft. Forskare, fastän, var länge fascinerade av möjligheten att använda mikrokammar baserade på Pockels-effekten för att öka kraften, och kunde äntligen göra det för cirka 10 år sedan i stora håligheter runt en halv meter långa. Skillnaden mellan de två är att lasern i en Kerr-kam intensifierar färgerna på lasrarna för att göra en kam, medan Pockels-kammen skapas när lasern upprepade gånger fördubblas och halverar sin frekvens, som avgör dess färg. Medan Pockels mikrokam har en mycket starkare effekt, det är också väldigt svårt att kontrollera.

Ett sätt att få kontroll är att använda en soliton, en ensam våg som rör sig konsekvent och utan att förlora energi. Solitoner kan förekomma i naturen, som i vatten (de observerades först på en bro i Skottland av en skotsk ingenjör från 1800-talet som såg en enda våg färdas i flera kilometer). De förekommer även med ljus, och – som fysikens lagar lovar – skulle vara avgörande för att kontrollera lasrarna som skapats av Pockels mikrokam. Att få en att arbeta med en mikrokam, fastän, hade länge visat sig svårfångad för forskare.

"Utan ensamheten, det är bara ett gäng lasrar som alla gör sin egen grej – det är som att försöka valla katter, sa Alex Bruch, huvudförfattare till studien och en före detta Ph.D. student i Tangs labb. Med solitonstaten, fastän, det är som en vältränad armékår som kan marschera på ett ordnat sätt och kombinera sina styrkor. ""Det är otroligt svårt att göra riktig vetenskap med en ljuskälla som slumpmässigt förändras på dig. Solitonen är fantastisk eftersom den gör en fin, förutsägbar optisk puls som du kan använda för nästan vilken applikation du vill. Folk har trott att detta borde finnas länge, men det var väldigt svårt att göra en eller observera en i ett labb. Det riktigt viktiga med vårt papper är att det här är första gången vi kan få den ensamen att fungera."

Tang-labbet är det första att tillverka en Pockels-soliton i mikroskala, och en stor del av deras framgång beror på den lilla skala de arbetade i. Vanligtvis, en sådan anordning tar upp utrymmet som en liten skokartong. Men Tangs labb är specialiserat på nanofotonik, där allt krymps ner dramatiskt. De använder en mikrotillverkningsteknik som gör att de kan skjuta ljuset mot chipet och flera färger genereras i en ring som inte är större än ett människohårs bredd.

"Vi kan kontrollera allt riktigt bra på ett litet chip - temperaturen, geometrin – och det visar sig att genom att krympa allt, du har också förbättrat fysiken eftersom du tvingar alla dessa vågor att interagera med varandra i ett litet litet utrymme, "" sa Bruch.

Inte bara var effekten starkare, men det var också mycket effektivare än att använda den traditionella Kerr mikrokammen. En Kerr-mikrokam uppnår vanligtvis en omvandlingsfrekvens på cirka 2-3 %, medan deras Pockels microcomb – vid första försöket – uppnådde 17 %.

Bruch sa att de planerar att bygga vidare på denna forskning genom att hitta sätt att bredda bandbredden - det vill säga, antalet färger som genereras från lasern.