Xu Yi, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l'Université de Virginie, a collaboré avec le groupe de Yun-Feng Xiao de l'Université de Pékin et des chercheurs de Caltech pour obtenir la plus large plage spectrale enregistrée dans un micropeigne.

Leur article évalué par des pairs, " Micropeignes à deux octaves assistées par le chaos, " a été publié le 11 mai 2020, dans Communication Nature , une revue multidisciplinaire dédiée à la publication de recherches de haute qualité dans tous les domaines de la biologie, santé, physique, Chimie et sciences de la Terre.

Yi et Xiao ont co-supervisé ce travail et sont les auteurs correspondants. Les co-auteurs incluent Hao-Jing Chen, Qing-Xin Ji, Qi-Tao Cao, Qihuang Gong à l'Université de Pékin, et Heming Wang et Qi-Fan Yang à Caltech. Le groupe de Yi est parrainé par la National Science Foundation des États-Unis. Le groupe de Xiao est financé par la National Natural Science Foundation of China et le National Key Research and Development Program of China.

L'équipe a appliqué la théorie du chaos à un type spécifique de dispositif photonique appelé peigne de fréquence basé sur un microrésonateur, ou micropeigne. Le micropeigne convertit efficacement les photons d'une seule à plusieurs longueurs d'onde. Les chercheurs ont démontré la plus large (c'est-à-dire, l'étendue spectrale du micropeigne la plus colorée jamais enregistrée. Au fur et à mesure que les photons s'accumulent et que leur mouvement s'intensifie, le peigne de fréquence génère de la lumière dans le spectre ultraviolet à infrarouge.

"C'est comme transformer une lanterne magique monochrome en un projecteur de film technicolor, " dit Yi. Le large spectre de lumière généré par les photons augmente son utilité en spectroscopie, horloges optiques et calibration astronomique pour rechercher des exoplanètes.

Le micropeigne fonctionne en connectant deux éléments interdépendants :un microrésonateur, qui est une structure annulaire à l'échelle micrométrique qui enveloppe les photons et génère le peigne de fréquence, et un guide d'onde de bus de sortie. Le guide d'ondes régule l'émission lumineuse :seule la lumière à vitesse adaptée peut sortir du résonateur vers le guide d'ondes. Comme Xiao l'a expliqué, « C'est comme trouver une bretelle de sortie d'une autoroute ; quelle que soit la vitesse à laquelle vous conduisez, la sortie a toujours une limitation de vitesse."

L'équipe de recherche a trouvé un moyen intelligent d'aider davantage de photons à attraper leur sortie. Leur solution consiste à déformer le microrésonateur de manière à créer un mouvement lumineux chaotique à l'intérieur de l'anneau. "Ce mouvement chaotique brouille la vitesse de la lumière à toutes les longueurs d'onde disponibles, " a déclaré Hao-Jing Chen, co-auteur et membre de l'équipe de recherche de l'Université de Pékin. Lorsque la vitesse dans le résonateur correspond à celle du guide d'onde du bus de sortie à un moment précis, la lumière sortira du résonateur et traversera le guide d'ondes.

L'adoption par l'équipe de la théorie du chaos est une excroissance de leur étude précédente sur la transformation de la quantité de mouvement à large bande assistée par le chaos dans une microcavité déformée, qui a été publié dans Science en 2017 ( Science 358, 344-347).

Cette recherche s'appuie sur les forces d'UVA Engineering en photonique. Le département de génie électrique et informatique de Charles L. Brown possède une base solide dans les matériaux semi-conducteurs et la physique des dispositifs qui s'étend aux dispositifs optoélectroniques avancés. Le laboratoire de microphotonique de Yi mène des recherches sur des résonateurs photoniques intégrés de haute qualité, avec un double accent sur les peignes de fréquence optique basés sur des microrésonateurs et l'informatique quantique photonique basée sur des variables continues.

"L'introduction du chaos et de la déformation de la cavité fournit non seulement un nouveau mécanisme, mais aussi un degré de liberté supplémentaire dans la conception de dispositifs photoniques, ", a déclaré Yi. "Cela pourrait accélérer la recherche en optique et photonique dans l'informatique quantique et d'autres applications vitales pour la croissance économique et la durabilité futures."

Communication Nature a publié cette recherche le 11 mai 2020.