Gli impulsi periodici di luce che formano un pettine nel dominio della frequenza sono ampiamente utilizzati per il rilevamento e la distanza. La chiave per la miniaturizzazione di questa tecnologia verso soluzioni integrate nei chip è la generazione di solitoni dissipativi in ​​microrisonatori a forma di anello. I solitoni dissipativi sono impulsi stabili che circolano attorno alla circonferenza di un risonatore non lineare.

Dalla loro prima dimostrazione, il processo di formazione dei solitoni dissipativi è stato ampiamente studiato e oggi è considerato una conoscenza da manuale. Diverse direzioni di ulteriore sviluppo sono attivamente studiate da diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo. Una di queste direzioni è la generazione di solitoni in risonatori accoppiati. L'effetto collettivo di molti risonatori promette migliori prestazioni e controllo sui pettini di frequenza, sfruttando un'altra dimensione (spaziale).

Ma in che modo l'accoppiamento di risonatori aggiuntivi modifica il processo di generazione di solitoni? Oscillatori identici di qualsiasi tipo che si influenzano a vicenda non possono più essere considerati come un insieme di elementi distinti. A causa del fenomeno dell'ibridazione, l'eccitazione di un tale sistema influenza tutti i suoi elementi, e il sistema deve essere trattato nel suo insieme. Il caso più semplice in cui avviene l'ibridazione è di due oscillatori accoppiati o, nella terminologia molecolare, un dimero. Così come pendoli accoppiati e atomi che formano una molecola, modalità di microrisonatori ottici accoppiati sperimentano l'ibridazione ma, a differenza di altri sistemi, il numero di modi coinvolti è grande (tipicamente da decine a centinaia). Perciò, solitoni in un dimero fotonico sono generati in modalità ibridate che coinvolgono entrambi i risonatori, che aggiunge un ulteriore grado di controllo se si ha accesso ai parametri di ibridazione.

In un articolo pubblicato su Fisica della natura , ricercatori del laboratorio di Tobias J. Kippenberg all'EPFL, e IBM Research Europe guidati da Paul Seidler hanno dimostrato la generazione di solitoni dissipativi e, perciò, pettini di frequenza coerenti in una molecola fotonica composta da due microrisonatori. La generazione di un solitone nel dimero implica due solitoni contro-propaganti in entrambi gli anelli risonatori. Il campo elettrico sottostante a ogni modalità del dimero assomiglia a due ingranaggi che girano in direzioni opposte, ecco perché i solitoni nel dimero fotonico sono chiamati Gear Solitons. Impronta di riscaldatori su entrambi i risonatori, e quindi controllando l'ibridazione, gli autori hanno dimostrato la sintonizzazione in tempo reale del pettine di frequenza basato su solitoni.

Anche la semplice disposizione del dimer, oltre alla generazione di solitoni ibridati (ingranaggio), ha dimostrato una varietà di fenomeni emergenti, cioè fenomeni non presenti a livello di singola particella (risuonatore). Ad esempio, i ricercatori hanno previsto l'effetto del soliton hopping:scambio periodico di energia tra i risonatori che formano il dimero mantenendo lo stato solitonico. Questo fenomeno è il risultato della generazione simultanea di solitoni in entrambe le famiglie di modi ibridati la cui interazione porta all'oscillazione dell'energia. Solitoni saltellanti, Per esempio, può essere utilizzato per la generazione di pettini configurabili nel dominio della radiofrequenza.

"La fisica della generazione di solitoni in un singolo risonatore è oggi relativamente ben compresa, "dice Alexey Tikan, ricercatore presso il Laboratorio di Fotonica e Misure Quantistiche, EPFL. "Il campo sta esplorando altre direzioni di sviluppo e miglioramento. I risonatori accoppiati sono una delle poche di queste prospettive. Questo approccio consentirà l'impiego di concetti provenienti da campi adiacenti della fisica. Ad esempio, si può formare un isolante topologico (noto nella fisica dello stato solido) accoppiando risonatori in un reticolo, che porterà alla generazione di robusti pettini di frequenza immuni ai difetti del reticolo, e allo stesso tempo trarre vantaggio dalla maggiore efficienza e da ulteriori gradi di controllo. Il nostro lavoro fa un passo avanti verso queste idee affascinanti".