Os pesquisadores estão um passo mais perto de aproveitar pulsos únicos de luz chamados solitons, usando minúsculos microrressonadores em forma de anel, em descobertas que podem ajudar nos esforços para desenvolver sensores avançados, comunicações ópticas de alta velocidade e ferramentas de pesquisa.

Ser capaz de aproveitar os solitons usando dispositivos pequenos o suficiente para caber em um chip eletrônico pode trazer uma série de aplicações, de sensores ópticos em miniatura que detectam produtos químicos e compostos biológicos, a espectroscopia de alta precisão e sistemas de comunicações ópticas que transmitem maiores volumes de informação com melhor qualidade.

Os pesquisadores tiveram sucesso em criar consistentemente vários solitons de uma vez e solitons únicos; Contudo, relativamente complicado "ajuste ativo" ou controle é necessário. Agora, novas descobertas descrevem um método passivo que contorna a necessidade de controle ativo para a geração de soliton único.

"Nosso trabalho identificou uma nova maneira de guiar este sistema em uma única solução estável, "disse Andrew M. Weiner, Professor ilustre da família Scifres da Purdue University em Engenharia Elétrica e de Computação.

A abordagem mostrou como aproveitar um fenômeno chamado radiação Cherenkov, o que normalmente é um obstáculo para o desenvolvimento de dispositivos microrressonadores práticos baseados em solitons.

"A novidade importante deste trabalho é que essa interação Cherenkov não é apenas prejudicial, como geralmente é considerado, mas, na verdade, pode, em alguns casos, ser aproveitado para guiá-lo até esta bela solução única e limpa, "Weiner disse." Então, podemos usar a radiação Cherenkov em nossa vantagem. "

Os pesquisadores aprenderam que ter uma fonte moderadamente fraca de radiação Cherenkov promove a geração de solitons únicos.

"Descobrimos que, se a força estiver certa, ela pode guiá-lo para obter um único soliton, o que é muito útil, "Weiner disse.

Os resultados são detalhados em artigo de pesquisa publicado em 22 de agosto na revista Optica . O autor principal do artigo foi o associado de pesquisa de pós-doutorado de Purdue, Chengying Bao.

Os solitons são pulsos de luz curtos e altamente estáveis ​​que se formam dentro do ressonador de microragem e se propagam de maneira estável ao redor do anel de forma circular.

"Uma vez a cada vez, uma pequena parte da energia do soliton se acopla fora do anel, onde está disponível para uso em medições e aplicações, "Weiner disse.

Isso acontece periodicamente centenas de bilhões de vezes por segundo, porque uma viagem ao redor da pequena estrutura leva apenas alguns picossegundos, ou trilionésimos de segundo.

Essas sequências periódicas de pulsos ópticos formam um "pente de frequência" contendo um grande número de frequências ópticas igualmente espaçadas. Combinações de frequência foram demonstradas a partir de lasers de "modo bloqueado" há mais de 15 anos, com impactos revolucionários em uma ampla gama de tecnologias de medição de precisão e levando ao Prêmio Nobel de Física em 2005. No entanto, lasers de modo bloqueado são relativamente grandes e caros, o que impede a implantação fora de laboratórios especializados, Disse Weiner.

Os microrings usados ​​no estudo de Purdue têm um raio de cerca de 100 micrômetros (cerca da espessura de uma folha de papel) e são fabricados com uma película fina de nitreto de silício, um material compatível com o material de silício usado para eletrônica. Consequentemente, microresonadores oferecem potencial para menores, pentes de frequência óptica de baixo custo que podem ser compatíveis com aplicações generalizadas.

Quando há mais de um soliton dentro do microring, diferentes linhas espectrais, ou cores de luz no pente, pode variar em força.

"Alguns serão de maior poder, mas alguns serão muito mais fracos e não úteis para aplicativos, "Weiner disse.

Contudo, gerar apenas um único soliton dentro do microring promove um pente suave.

"Ser capaz de garantir um envelope suave gerando solitons únicos, para que você não perca a maior parte de seu poder, seria muito útil, " ele disse.

A produção de solitons geralmente requer um controle e ajuste precisos de um "laser de bomba de onda contínua". Gerar apenas um único soliton requer um ajuste ainda mais complexo, tornando esta façanha difícil. Contudo, as novas descobertas sugerem que é possível produzir solitons únicos passivamente, simplificando significativamente o processo de controle, aproveitando a radiação óptica Cherenkov.

"Para obter a operação de solitão único, a perda de energia para a radiação Cherenkov não deve ser nem muito fraca nem muito forte, "Weiner disse." No momento, o processo de fabricação não permite controle suficiente sobre a intensidade da radiação Cherenkov. "

Contudo, trabalhos futuros podem explorar maneiras de controlar mais ativamente o efeito com projetos mais sofisticados com base no acoplamento entre dois microrings espaçados próximos, que podem ser ajustados termicamente aquecendo-os.

Os pentes de soliton simples podem permitir a transmissão de centenas de canais de comunicação independentes em fibras ópticas, sensores ópticos multifrequência precisos que detectam poluentes aerotransportados para monitoramento ambiental, e "relógios ópticos" ultra-precisos para cronometrar ou navegar.

"O monitoramento ambiental está realmente começando a acontecer com pentes de maior frequência baseados em lasers, mas podemos fazer isso com fontes em escala de chip a um custo menor para uso generalizado? ", disse Weiner." Ainda não chegamos lá, mas o potencial é promissor. "

O artigo foi escrito por Bao; Yi Xuan, um professor assistente de pesquisa no Centro de Nanotecnologia Birck de Purdue; o cientista pesquisador sênior Daniel E. Leaird; Stefan Wabnitz, pesquisador da Università di Brescia, na Itália; Minghao Qi, um professor de engenharia elétrica e de computação da Purdue; e Weiner.