Le oscillazioni di Bloch (BO) sono state inizialmente previste per gli elettroni in un reticolo solido quando viene applicato un campo elettrico statico. Scienziati in Cina hanno creato un reticolo di frequenza sintetico in un anello di fibra con modulazione di fase detuned e hanno osservato direttamente i BO di frequenza in tempo reale. Lo spettro di frequenza nella banda delle telecomunicazioni può essere spostato fino a centinaia di GHz. Lo studio potrebbe trovare applicazioni nelle manipolazioni di frequenza nei sistemi di comunicazione in fibra ottica.

I BO descrivono il movimento periodico degli elettroni nei solidi a cui viene applicato un campo elettrico statico esterno. Però, è difficile misurare i BO direttamente nei solidi naturali poiché il tempo di rilassamento degli elettroni è solitamente molto più breve del periodo di oscillazione. Ad oggi, le analogie dei BO elettronici sono state estese alle dimensioni sintetiche del tempo, frequenza e momento angolare.

Negli studi precedenti, i BO di frequenza sono stati dimostrati sperimentalmente in una fibra non lineare con modulazione in fase incrociata. Però, lo spettro di frequenza è stato ottenuto solo all'uscita della fibra, e quindi il processo di evoluzione dei BO è stato misurato solo indirettamente. Inoltre, i BO di frequenza sono stati teoricamente dimostrati in micro-risonatori sotto modulazione temporale. Considerando la struttura compatta dei risonatori ad anello, l'osservazione diretta dei BO incontra ancora difficoltà nel compensare la riduzione di potenza durante la raccolta dei segnali.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Bing Wang della School of Physics e del Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong Università della Scienza e della Tecnologia, Wuhan, Cina, e i colleghi hanno osservato direttamente i BO di frequenza in un anello di fibra modulato con detuning temporale. Lo spettro dell'impulso ottico incidente ha subito un movimento periodico nel reticolo di frequenza formato dalla modulazione di fase. La desintonizzazione temporale ha prodotto un'efficace forza del campo elettrico nel reticolo, che era associato al potenziale vettore effettivo che variava con l'evoluzione dello spettro. Inoltre, l'evoluzione transitoria dello spettro è stata misurata in tempo reale utilizzando la tecnica della trasformazione dispersiva di Fourier (DFT). Sulla base dei BO nel dominio della frequenza, è stato raggiunto uno spostamento di frequenza massimo fino a 82 GHz. Anche la larghezza di banda dell'impulso in ingresso è stata ampliata fino a 312 GHz.

Lo studio offre un approccio promettente alla realizzazione di BO in dimensioni sintetiche e potrebbe trovare applicazioni nelle manipolazioni di frequenza nei sistemi di comunicazione in fibra ottica. Questi scienziati riassumono il principio del lavoro:"La modulazione di fase induce l'accoppiamento tra i modi di frequenza adiacenti che costruiscono un reticolo nella dimensione della frequenza. Quando l'impulso ottico si propaga in un anello di fibra, il tempo di andata e ritorno può essere regolato utilizzando una linea di ritardo ottica. È possibile introdurre un piccolo detuning temporale tra il tempo di circolazione dell'impulso e il periodo di modulazione, che funge da forza di campo elettrico effettiva nel reticolo di frequenza e quindi il terreno dà origine a BO di frequenza. Mostriamo che il potenziale vettore può anche contribuire alla generazione della forza effettiva, che varia con la distanza di propagazione."

"Per realizzare la misurazione in tempo reale dello spettro di impulsi accoppiato dal loop, uno spettroscopio basato sul DFT è collegato all'estremità del circuito in fibra. Una lunga fibra di compensazione della dispersione esegue una trasformata di Fourier, che mappa l'inviluppo dello spettro dell'impulso ottico in una forma d'onda nel dominio del tempo. Grazie alla dispersione in fibra, è possibile ottenere la misurazione in tempo reale dello spettro di frequenza con una risoluzione di ~9,8 GHz."

"Attuiamo l'incidenza di impulsi sia brevi che ampi e osserviamo direttamente le modalità oscillanti e respiratorie dei BO di frequenza. Mentre l'impulso breve si propaga nel circuito in fibra, si vede che lo spettro dell'impulso incidente evolve lungo una traiettoria cosenoidale, riferendosi a BO di frequenza. Per un polso ampio, lo spettro manifesta uno schema respiratorio accompagnato da un effetto di autofocalizzazione durante l'evoluzione, " hanno aggiunto.

"Sulla base del metodo attuale, le manipolazioni dello spettro superano la limitazione della larghezza di banda microelettronica. Questo studio può trovare molte applicazioni nella conversione di frequenza ad alta efficienza e nell'elaborazione del segnale. Inoltre, in aiuto delle BO, abbiamo verificato che il potenziale di gauge vettoriale può essere impiegato per manipolare le proprietà ottiche dei fotoni nel reticolo di frequenza sintetico, che fornisce un modo unico per controllare la luce, soprattutto nel campo della fotonica topologica, "predicono gli scienziati.