L'ultima volta che abbiamo incontrato Kerry Vahala del Caltech tre anni fa, il suo laboratorio aveva recentemente segnalato lo sviluppo di un nuovo dispositivo ottico chiamato microcomb di frequenza chiavi in ​​mano che ha applicazioni nelle comunicazioni digitali, nella misurazione del tempo di precisione, nella spettroscopia e persino nell'astronomia.

Questo dispositivo, fabbricato su un wafer di silicio, prende la luce laser in ingresso di una frequenza e la converte in un insieme uniformemente distanziato di molte frequenze distinte che formano un treno di impulsi la cui lunghezza può essere fino a 100 femtosecondi (quadrilionesimi di secondo). (Il pettine nel nome deriva dalle frequenze distanziate come i denti di un pettine.)

Ora Vahala, Ted e Ginger Jenkins del Caltech, professore di scienza e tecnologia dell'informazione e di fisica applicata e funzionario esecutivo per la fisica applicata e la scienza dei materiali, insieme ai membri del suo gruppo di ricerca e del gruppo di John Bowers alla UC Santa Barbara, hanno fatto un passo avanti nella il modo in cui gli impulsi brevi si formano in un nuovo importante materiale chiamato nitruro di silicio a bassissime perdite (nitruro ULL), un composto formato da silicio e azoto. Il nitruro di silicio viene preparato per essere estremamente puro e depositato in una pellicola sottile.

In linea di principio, i dispositivi microcomb a impulsi brevi realizzati con questo materiale richiederebbero una potenza molto bassa per funzionare. Sfortunatamente, brevi impulsi luminosi (chiamati solitoni) non possono essere generati correttamente in questo materiale a causa di una proprietà chiamata dispersione, che fa sì che la luce o altre onde elettromagnetiche viaggino a velocità diverse, a seconda della loro frequenza. ULL ha quella che è nota come dispersione normale e questo impedisce alle guide d'onda realizzate in nitruro ULL di supportare i brevi impulsi necessari per il funzionamento del microcomb.

In un articolo apparso su Nature Photonics , i ricercatori discutono del loro sviluppo del nuovo microcomb, che supera i limiti ottici intrinseci del nitruro ULL generando impulsi in coppie. Si tratta di uno sviluppo significativo perché il nitruro ULL viene creato con la stessa tecnologia utilizzata per la produzione dei chip dei computer. Questo tipo di tecnica di produzione significa che un giorno questi micropettini potrebbero essere integrati in un'ampia varietà di dispositivi portatili simili nella forma agli smartphone.

La caratteristica più distintiva di un normale microcomb è un piccolo anello ottico che assomiglia un po' ad una piccola pista da corsa. Durante il funzionamento, i solitoni si formano e circolano automaticamente attorno ad esso.

"Tuttavia, quando questo circuito è costituito da nitruro ULL, la dispersione destabilizza gli impulsi solitonici", afferma il coautore Zhiquan Yuan, uno studente laureato in fisica applicata.

Immagina il circuito come una pista con le auto. Se alcune auto viaggiano più velocemente e altre viaggiano più lentamente, allora si allargheranno mentre percorrono la pista invece di rimanere in un gruppo compatto. Allo stesso modo, la normale dispersione di ULL significa che gli impulsi luminosi si diffondono nelle guide d'onda del microcomb e il microcomb cessa di funzionare.

La soluzione ideata dal team è stata quella di creare più piste, accoppiandole in modo che assomigliassero un po' a una figura otto. A metà di quell'8, le due tracce corrono parallele l'una all'altra con solo un piccolo spazio tra loro.

Se continuiamo con l'analogia con la pista, sarebbe come se due piste ne condividessero una. Quando le auto di ciascun binario convergono su quella sezione condivisa, incontrano qualcosa di simile a un ingorgo. Proprio come due corsie di traffico che si fondono in una su un'autostrada costringono le auto a rallentare, la sezione congiunta dei due micropettini costringe gli impulsi laser accoppiati ad accumularsi. Questo raggruppamento contrasta la tendenza degli impulsi a diffondersi e consente ai micropettini di funzionare correttamente.

"In effetti, questo contrasta la normale dispersione e dà al sistema composito complessivo l'equivalente di una dispersione anomala", afferma lo studente laureato e coautore Maodong Gao.

L'idea si estende quando si aggiungono ancora più piste, e il team ha mostrato come funzioneranno anche tre piste creando due serie di coppie di impulsi. Vahala ritiene che il fenomeno continuerà a funzionare anche con molti circuiti accoppiati (microcomb), offrendo così un modo per creare grandi matrici di circuiti fotonici per gli impulsi solitonici.

Come notato sopra, questi microcomb ULL sono fabbricati con la stessa attrezzatura utilizzata per realizzare chip per computer basati sulla tecnologia CMOS (metallo-ossido-semiconduttore complementare). Bowers, professore di ingegneria elettrica e informatica, ha collaborato alla ricerca e osserva che "La scalabilità produttiva del processo CMOS significa che ora sarà più semplice ed economico produrre microcomb a impulsi brevi e integrarli nelle tecnologie e applicazioni esistenti ."

Riguardo a queste applicazioni, Vahala afferma che "un pettine è come un coltellino svizzero per l'ottica. Ha molte funzioni diverse, ed è per questo che è uno strumento così potente."

L'articolo che descrive la ricerca, "Coppie di impulsi solitonici a più colori in microrisonatori a dispersione normale", appare nel numero di novembre di Nature Photonics .

Ulteriori informazioni: Zhiquan Yuan et al, Coppie di impulsi Soliton a più colori in microrisonatori a dispersione normale, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01257-2

Informazioni sul giornale: Fotonica della natura

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