I ricercatori sono un passo avanti verso lo sfruttamento di singoli impulsi di luce chiamati solitoni, utilizzando minuscoli microrisonatori a forma di anello, in risultati che potrebbero aiutare gli sforzi per sviluppare sensori avanzati, comunicazioni ottiche ad alta velocità e strumenti di ricerca.

Essere in grado di sfruttare i solitoni usando dispositivi abbastanza piccoli da adattarsi a un chip elettronico potrebbe portare una serie di applicazioni, da sensori ottici in miniatura che rilevano sostanze chimiche e composti biologici, alla spettroscopia ad alta precisione e ai sistemi di comunicazione ottica che trasmettono maggiori volumi di informazioni con una migliore qualità.

I ricercatori sono riusciti a creare in modo coerente diversi solitoni alla volta e singoli solitoni; però, è necessaria una "sintonizzazione attiva" o un controllo relativamente complicati. Ora, nuove scoperte descrivono un metodo passivo che elude la necessità di un controllo attivo per la generazione di un singolo solitone.

"Il nostro lavoro ha identificato un nuovo modo di guidare questo sistema in un singolo solitone stabile, " ha detto Andrew M. Weiner, Professore distinto di ingegneria elettrica e informatica della famiglia Scifres della Purdue University.

L'approccio ha mostrato come sfruttare un fenomeno chiamato radiazione Cherenkov, che normalmente è un ostacolo allo sviluppo di pratici dispositivi microrisonatori basati su solitoni.

"L'importante novità di questo lavoro è che questa interazione di Cherenkov non è solo dannosa, come di solito si considera, ma in realtà in alcuni casi può essere sfruttato per guidarti verso questo bel solitone singolo pulito, " disse Weiner. "Allora, possiamo usare le radiazioni Cherenkov a nostro vantaggio."

I ricercatori hanno scoperto che avere una sorgente moderatamente debole di radiazione Cherenkov favorisce la generazione di singoli solitoni.

"Abbiamo scoperto che se la forza è giusta può guidarti a ottenere un singolo solitone, che è davvero utile, "Ha detto Weiner.

I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca pubblicato il 22 agosto sulla rivista ottica . L'autore principale del documento era Chengying Bao, associato di ricerca post-dottorato di Purdue.

I solitoni sono impulsi di luce brevi e altamente stabili che si formano all'interno del risonatore del microanello e si propagano stabilmente attorno all'anello in modo circolare.

"Una volta ogni volta, una piccola porzione delle coppie di potenza del solitone fuori dall'anello dove è disponibile per l'uso in misurazioni e applicazioni, "Ha detto Weiner.

Questo accade periodicamente centinaia di miliardi di volte al secondo perché un viaggio intorno alla minuscola struttura richiede solo pochi picosecondi, o trilionesimi di secondo.

Tali sequenze periodiche di impulsi ottici formano un "pettine di frequenza" contenente un gran numero di frequenze ottiche equidistanti. I pettini di frequenza sono stati dimostrati da laser "mode-locked" più di 15 anni fa, con impatti rivoluzionari su un'ampia gamma di tecnologie di misurazione di precisione e che ha portato al Premio Nobel per la Fisica nel 2005. Tuttavia, i laser mode-locked sono relativamente grandi e costosi, che ostacola lo spiegamento al di fuori dei laboratori specializzati, ha detto Weiner.

I microanelli utilizzati nello studio di Purdue hanno un raggio di circa 100 micrometri (circa lo spessore di un foglio di carta) e sono fabbricati con un sottile film di nitruro di silicio, un materiale compatibile con il silicio utilizzato per l'elettronica. Di conseguenza, microrisonatori offrono il potenziale per piccoli, pettini di frequenza ottica a basso costo che possono essere compatibili con applicazioni diffuse.

Quando c'è più di un solitone all'interno del microanello, diverse righe spettrali, o colori di luce nel pettine, può variare in forza.

"Alcuni saranno più potenti, ma alcuni saranno molto più deboli e non utili per le applicazioni, "Ha detto Weiner.

Però, la generazione di un solo solitone all'interno del microanello favorisce un pettine liscio.

"Essere in grado di garantire un inviluppo regolare generando singoli solitoni, in modo che non ti manchi la maggior parte del loro potere, sarebbe molto utile, " Egli ha detto.

La produzione di solitoni richiede generalmente un controllo preciso e la messa a punto di un "laser a pompa ad onda continua". La generazione di un solo solitone richiede un'accordatura ancora più complessa, rendendo difficile questa impresa. Però, le nuove scoperte suggeriscono che è possibile produrre passivamente singoli solitoni, semplificando notevolmente il processo di controllo sfruttando la radiazione ottica Cherenkov.

"Per ottenere un funzionamento a solitone singolo, la perdita di energia alla radiazione di Cherenkov non dovrebbe essere né troppo debole né troppo forte, "Ha detto Weiner. "Attualmente il processo di fabbricazione non consente un controllo sufficiente sulla forza della radiazione Cherenkov".

Però, il lavoro futuro potrebbe esplorare modi per controllare più attivamente l'effetto con progetti più sofisticati basati sull'accoppiamento tra due microanelli ravvicinati, che possono essere sintonizzati termicamente riscaldandoli.

I singoli pettini solitoni potrebbero consentire la trasmissione di centinaia di canali di comunicazione indipendenti in fibre ottiche, precisi sensori ottici multifrequenza che rilevano gli inquinanti atmosferici per il monitoraggio ambientale, e "orologi ottici" ultra precisi per il cronometraggio o la navigazione.

"Il monitoraggio ambientale sta davvero iniziando ad essere realizzato con pettini di frequenza più grandi basati su laser, ma possiamo farlo con sorgenti su scala di chip a un costo inferiore per un uso diffuso?" ha detto Weiner. "Non siamo ancora arrivati, ma il potenziale è promettente".

Il documento è stato scritto da Bao; Yi Xuan, un professore assistente di ricerca presso il Birck Nanotechnology Center di Purdue; ricercatore senior Daniel E. Leaird; Stefan Wabnitz, un ricercatore dell'Università di Brescia in Italia; Minghao Qi, un professore di ingegneria elettrica e informatica alla Purdue; e Weiner.