Les chercheurs font un pas de plus vers l'exploitation d'impulsions lumineuses uniques appelées solitons, en utilisant de minuscules microrésonateurs en forme d'anneau, dans les résultats qui pourraient aider les efforts pour développer des capteurs avancés, communications optiques à haut débit et outils de recherche.

Pouvoir exploiter les solitons à l'aide d'appareils suffisamment petits pour tenir sur une puce électronique pourrait apporter une multitude d'applications, à partir de capteurs optiques miniatures qui détectent les produits chimiques et les composés biologiques, aux systèmes de spectroscopie de haute précision et de communications optiques qui transmettent de plus grands volumes d'informations avec une meilleure qualité.

Les chercheurs ont réussi à créer systématiquement plusieurs solitons à la fois et des solitons uniques; cependant, Un "réglage actif" ou un contrôle relativement compliqué est nécessaire. Maintenant, de nouvelles découvertes décrivent une méthode passive qui évite le besoin de contrôle actif pour la génération de solitons uniques.

"Notre travail a identifié une nouvelle façon de guider ce système en un seul soliton stable, " a déclaré Andrew M. Weiner, Professeur distingué de la famille Scifres de l'Université Purdue en génie électrique et informatique.

L'approche a montré comment exploiter un phénomène appelé rayonnement Cherenkov, ce qui est normalement un obstacle au développement de dispositifs de microrésonateurs pratiques basés sur des solitons.

"La nouveauté importante de ce travail est que cette interaction Cherenkov n'est pas seulement nuisible, comme on le considère habituellement, mais en fait peut dans certains cas être exploité pour vous guider vers ce joli soliton unique propre, " dit Weiner. " Alors, nous pouvons utiliser le rayonnement Cherenkov à notre avantage."

Les chercheurs ont appris que le fait d'avoir une source modérément faible de rayonnement Cherenkov favorise la génération de solitons uniques.

"Nous avons découvert que si la force est juste, elle peut vous guider pour obtenir un seul soliton, ce qui est vraiment utile, ", a déclaré Weiner.

Les résultats sont détaillés dans un article de recherche publié le 22 août dans la revue Optique . L'auteur principal de l'article était Chengying Bao, associé de recherche postdoctoral de Purdue.

Les solitons sont des impulsions lumineuses courtes et très stables qui se forment à l'intérieur du résonateur à micro-anneau et se propagent de manière stable autour de l'anneau de manière circulaire.

"Une fois à chaque fois, une petite partie de la puissance du soliton sort de l'anneau où il est disponible pour une utilisation dans des mesures et des applications, ", a déclaré Weiner.

Cela se produit périodiquement des centaines de milliards de fois par seconde car un voyage autour de la minuscule structure ne prend que quelques picosecondes, ou des billions de seconde.

De telles séquences périodiques d'impulsions optiques forment un "peigne de fréquence" contenant un grand nombre de fréquences optiques également espacées. Des peignes de fréquence ont été démontrés à partir de lasers "à verrouillage de mode" il y a plus de 15 ans, avec des impacts révolutionnaires sur un large éventail de technologies de mesure de précision et menant au prix Nobel de physique en 2005. Cependant, les lasers à mode verrouillé sont relativement gros et coûteux, ce qui entrave le déploiement en dehors des laboratoires spécialisés, dit Weiner.

Les microanneaux utilisés dans l'étude Purdue ont un rayon d'environ 100 micromètres (environ l'épaisseur d'une feuille de papier) et sont fabriqués avec un film mince de nitrure de silicium, un matériau compatible avec le silicium utilisé pour l'électronique. Par conséquent, les microrésonateurs offrent un potentiel pour les plus petits, des peignes de fréquence optique à moindre coût qui peuvent être compatibles avec des applications répandues.

Lorsqu'il y a plus d'un soliton dans le microanneau, différentes raies spectrales, ou des couleurs de lumière dans le peigne, peut varier en force.

"Certains seront plus puissants, mais certains seront beaucoup plus faibles et inutiles pour les applications, ", a déclaré Weiner.

Cependant, générer un seul soliton dans le micro-anneau favorise un peigne lisse.

« Pouvoir garantir une enveloppe lisse en générant des solitons uniques, pour que certains ne manquent pas la plupart de leur puissance, serait très utile, " il a dit.

La production de solitons nécessite généralement un contrôle et un réglage précis d'un "laser à pompe à onde continue". La génération d'un seul soliton nécessite un réglage encore plus complexe, rendant cet exploit difficile. Cependant, les nouvelles découvertes suggèrent qu'il est possible de produire des solitons uniques de manière passive, simplifiant considérablement le processus de contrôle en tirant parti du rayonnement optique Cherenkov.

"Pour obtenir un fonctionnement en soliton unique, la perte d'énergie due au rayonnement Cherenkov ne doit être ni trop faible ni trop forte, " a déclaré Weiner. " À l'heure actuelle, le processus de fabrication ne permet pas un contrôle suffisant sur la force du rayonnement Cherenkov. "

Cependant, les travaux futurs pourraient explorer des moyens de contrôler plus activement l'effet avec des conceptions plus sophistiquées basées sur le couplage entre deux micro-anneaux rapprochés, qui peuvent être réglés thermiquement en les chauffant.

Les peignes à solitons uniques pourraient permettre la transmission de centaines de canaux de communication indépendants dans des fibres optiques, capteurs optiques multifréquences précis qui détectent les polluants atmosphériques pour la surveillance de l'environnement, et des « horloges optiques » ultra-précises pour le chronométrage ou la navigation.

« La surveillance de l'environnement commence vraiment à se faire avec des peignes à plus grande fréquence basés sur des lasers, mais pouvons-nous le faire avec des sources à l'échelle de la puce à moindre coût pour une utilisation généralisée ?", a déclaré Weiner. "Nous n'en sommes pas encore là, mais le potentiel est prometteur."

Le document a été rédigé par Bao; Yi Xuan, professeur adjoint de recherche au Birck Nanotechnology Center de Purdue; chercheur principal Daniel E. Leaird; Stefan Wabnitz, un chercheur de l'Università di Brescia en Italie; Minghao Qi, un professeur Purdue de génie électrique et informatique; et Weiner.