Pulsos periódicos de luz formando um pente no domínio da frequência são amplamente usados ​​para detecção e alcance. A chave para a miniaturização dessa tecnologia em direção a soluções integradas em chip é a geração de solitons dissipativos em microrressonadores em forma de anel. Sólitons dissipativos são pulsos estáveis ​​que circulam ao redor da circunferência de um ressonador não linear.

Desde sua primeira demonstração, o processo de formação de solitons dissipativos foi amplamente estudado e hoje é considerado um conhecimento de livro didático. Várias direções de desenvolvimento futuro são ativamente investigadas por diferentes grupos de pesquisa em todo o mundo. Uma dessas direções é a geração de solitons em ressonadores acoplados. O efeito coletivo de muitos ressonadores promete melhor desempenho e controle sobre os combs de frequência, explorando outra dimensão (espacial).

Mas como o acoplamento de ressonadores adicionais muda o processo de geração de soliton? Os osciladores idênticos de qualquer tipo que afetam uns aos outros não podem mais ser considerados como um conjunto de elementos distintos. Devido ao fenômeno de hibridização, a excitação de tal sistema influencia todos os seus elementos, e o sistema deve ser tratado como um todo. O caso mais simples quando a hibridização ocorre são dois osciladores acoplados ou, na terminologia molecular, um dímero. Bem como pêndulos e átomos acoplados formando uma molécula, modos de microrressonadores ópticos acoplados experimentam hibridização, mas, em contraste com outros sistemas, o número de modos envolvidos é grande (normalmente de dezenas a centenas). Portanto, solitons em um dímero fotônico são gerados em modos hibridizados envolvendo ambos os ressonadores, que adiciona outro grau de controle se alguém tiver acesso aos parâmetros de hibridização.

Em um artigo publicado em Física da Natureza , pesquisadores do laboratório de Tobias J. Kippenberg na EPFL, e a IBM Research Europe liderada por Paul Seidler demonstrou a geração de solitons dissipativos e, Portanto, pentes de frequência coerente em uma molécula fotônica feita de dois microrressonadores. A geração de um soliton no dímero implica dois solitons contra-propagados em ambos os anéis ressonadores. O campo elétrico subjacente por trás de cada modo do dímero se assemelha a duas engrenagens girando em direções opostas, é por isso que os solitons no dímero fotônico são chamados de Gear Solitons. Imprimindo aquecedores em ambos os ressonadores, e, assim, controlar a hibridação, os autores demonstraram o ajuste em tempo real do pente de frequência baseado em soliton.

Mesmo o arranjo simples do dímero, além da geração de soliton hibridizada (engrenagem), demonstrou uma variedade de fenômenos emergentes, isto é, fenômenos não presentes no nível de partícula única (ressonador). Por exemplo, os pesquisadores previram o efeito do salto solitônico:troca periódica de energia entre os ressonadores que formam o dímero, mantendo o estado solitônico. Este fenômeno é o resultado da geração simultânea de solitons em ambas as famílias de modo hibridizado, cuja interação leva à oscilação de energia. Soliton pulando, por exemplo, pode ser usado para a geração de combs configuráveis ​​no domínio da radiofrequência.

"A física da geração de solitons em um único ressonador é relativamente bem compreendida hoje, "diz Alexey Tikan, pesquisador do Laboratório de Fotônica e Medições Quânticas, EPFL. "O campo está sondando outras direções de desenvolvimento e melhoria. Ressonadores acoplados são uma de algumas dessas perspectivas. Essa abordagem permitirá o emprego de conceitos de campos adjacentes da Física. Por exemplo, pode-se formar um isolante topológico (conhecido na física do estado sólido) por meio do acoplamento de ressonadores em uma rede, que levará à geração de pentes de frequência robustos imunes aos defeitos da rede, e ao mesmo tempo lucrando com a eficiência aprimorada e graus adicionais de controle. Nosso trabalho dá um passo em direção a essas idéias fascinantes. "