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    Solitones únicos prometedores para tecnologías ópticas

    Los investigadores de Purdue han utilizado diminutos microrings (arriba a la izquierda) para generar pulsos únicos de luz llamados solitones, un avance que podría ayudar a los esfuerzos por desarrollar tecnologías ópticas avanzadas. Dos gráficos muestran la relación entre un fenómeno llamado radiación de Cherenkov y la producción de solitones individuales. Crédito:Foto de la Universidad de Purdue / Chengying Bao

    Los investigadores están un paso más cerca de aprovechar pulsos únicos de luz llamados solitones, utilizando diminutos microrresonadores en forma de anillo, en hallazgos que podrían ayudar a los esfuerzos para desarrollar sensores avanzados, comunicaciones ópticas de alta velocidad y herramientas de investigación.

    Ser capaz de aprovechar los solitones utilizando dispositivos lo suficientemente pequeños como para caber en un chip electrónico podría traer una gran cantidad de aplicaciones, de sensores ópticos en miniatura que detectan compuestos químicos y biológicos, a espectroscopia de alta precisión y sistemas de comunicaciones ópticas que transmiten mayores volúmenes de información con mejor calidad.

    Los investigadores han tenido éxito en la creación constante de varios solitones a la vez y solitones individuales; sin embargo, Se necesita un "ajuste activo" o control relativamente complicado. Ahora, Los nuevos hallazgos describen un método pasivo que evita la necesidad de un control activo para la generación de un solo solitón.

    "Nuestro trabajo ha identificado una nueva forma de guiar este sistema en un solo solitón estable, "dijo Andrew M. Weiner, Profesor Distinguido de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Familia Scifres de Purdue University.

    El enfoque ha demostrado cómo aprovechar un fenómeno llamado radiación de Cherenkov, lo que normalmente es un obstáculo para el desarrollo de dispositivos microrresonadores prácticos basados ​​en solitones.

    "La novedad importante de este trabajo es que esta interacción de Cherenkov no solo es dañina, como se suele considerar, pero en algunos casos se puede aprovechar para guiarte a este agradable y limpio solitón, "Weiner dijo." Entonces, podemos utilizar la radiación de Cherenkov en nuestro beneficio ".

    Los investigadores descubrieron que tener una fuente moderadamente débil de radiación Cherenkov promueve la generación de solitones individuales.

    "Descubrimos que si la fuerza es la correcta, puede guiarlo a obtener un solo solitón, que es realmente útil, "Dijo Weiner.

    Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación publicado el 22 de agosto en la revista Optica . El autor principal del artículo fue Chengying Bao, investigador asociado postdoctoral de Purdue.

    Los solitones son pulsos de luz cortos y muy estables que se forman dentro del resonador microring y se propagan de forma estable alrededor del anillo de forma circular.

    "Una vez cada vez, una pequeña porción de la potencia del solitón se acopla fuera del anillo donde está disponible para su uso en mediciones y aplicaciones, "Dijo Weiner.

    Esto sucede periódicamente cientos de miles de millones de veces por segundo porque un viaje alrededor de la pequeña estructura toma solo unos pocos picosegundos. o billonésimas de segundo.

    Estas secuencias periódicas de pulsos ópticos forman un "peine de frecuencia" que contiene un gran número de frecuencias ópticas igualmente espaciadas. Los peines de frecuencia se demostraron a partir de láseres "de modo bloqueado" hace más de 15 años, con impactos revolucionarios en una amplia gama de tecnologías de medición de precisión y que llevó al Premio Nobel de Física en 2005. Sin embargo, Los láseres de modo bloqueado son relativamente grandes y costosos, que dificulta el despliegue fuera de los laboratorios especializados, Dijo Weiner.

    Las microesferas utilizadas en el estudio de Purdue tienen un radio de aproximadamente 100 micrómetros (aproximadamente el grosor de una hoja de papel) y están fabricadas con una película delgada de nitruro de silicio, un material compatible con el material de silicona utilizado para la electrónica. Como consecuencia, Los microrresonadores ofrecen potencial para peines de frecuencia óptica de menor costo que pueden ser compatibles con aplicaciones generalizadas.

    Cuando hay más de un solitón dentro del microring, diferentes líneas espectrales, o colores de luz en el peine, puede variar en fuerza.

    "Algunos serán de mayor poder, pero algunos serán mucho más débiles y no serán útiles para las aplicaciones, "Dijo Weiner.

    Sin embargo, la generación de un solo solitón dentro del microring promueve un peine suave.

    "Ser capaz de garantizar tener una envolvente suave generando solitones individuales, para que no se pierda la mayor parte de su poder, sería muy útil, " él dijo.

    La producción de solitones generalmente requiere un control y ajuste precisos de un "láser de bomba de onda continua". Generar un solo solitón requiere una afinación aún más compleja, dificultando esta hazaña. Sin embargo, los nuevos hallazgos sugieren que es posible producir solitones individuales de forma pasiva, simplificando significativamente el proceso de control aprovechando la radiación óptica de Cherenkov.

    "Para obtener la operación de un solo solitón, la pérdida de energía a la radiación de Cherenkov no debe ser ni demasiado débil ni demasiado fuerte, ", Dijo Weiner." En la actualidad, el proceso de fabricación no permite un control suficiente sobre la fuerza de la radiación de Cherenkov ".

    Sin embargo, el trabajo futuro puede explorar formas de controlar más activamente el efecto con diseños más sofisticados basados ​​en el acoplamiento entre dos microrings estrechamente espaciados, que se pueden sintonizar térmicamente calentándolos.

    Los peines de un solo solitón podrían permitir la transmisión de cientos de canales de comunicaciones independientes en fibras ópticas, Sensores ópticos multifrecuencia precisos que detectan contaminantes en el aire para monitoreo ambiental, y "relojes ópticos" ultraprecisos para el control del tiempo o la navegación.

    "El monitoreo ambiental realmente está comenzando a suceder con peines de mayor frecuencia basados ​​en láseres, pero, ¿podemos hacer eso con fuentes a escala de chip a un costo menor para un uso generalizado? ", dijo Weiner." Todavía no estamos allí, pero el potencial es prometedor ".

    El artículo fue escrito por Bao; Yi Xuan, profesor asistente de investigación en el Centro de Nanotecnología Birck de Purdue; el científico investigador principal Daniel E. Leaird; Stefan Wabnitz, investigador de la Università di Brescia en Italia; Minghao Qi, profesor de Purdue de ingeniería eléctrica e informática; y Weiner.

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