นักวิจัยจาก Caltech ได้พัฒนาวิธีใหม่ในการสร้าง Optical Frequency Comb ในรูปแบบของชิป ซึ่งเป็นเครื่องมือสำคัญในอุปกรณ์ที่ต้องใช้งานกับเวลาและการวัดระยะที่มีความแม่นยำสูง ทำให้อุปกรณ์ Optical ที่มีลักษณะของ Comb อยู่นั้นสามารถใช้นอกห้องทดลองได้ง่ายขึ้น และเพื่อสร้าง Comb แบบที่ต้องการขึ้น งานวิจัยชิ้นนี้ได้แสดงให้เห็นถึงการใช้ประโยชน์จากอัตราการเคลื่อนที่แสง (Light Pulse) ที่เรียกว่า Topological Solition
Frequency Comb เป็นแหล่งของแสงที่ปลดปล่อย Comb ที่แม่นยำราวกับไม้บรรทัดจำนวนมากซึ่งเว้นระยะห่างเท่าๆ กันในแต่ละช่วงความถี่ออกมา เชื่อหรือไม่ว่ากว่า 3 ทศวรรษที่ผ่านมาเทคโนโลยีนี้ได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญให้กับ Spectoscopy, งานด้านโทรคมนาคม แม้กระทั่งงานวิจัยทางดาราศาสตร์
ปัจจุบัน Frequency Comb ส่วนใหญ่จะพึ่งพาแหล่งพลังงานเลเซอร์ (Laser Source) แบบตั้งโต๊ะที่มีขนาดใหญ่เทอะทะ ซึ่งงานวิจัยชิ้นนี้แสดงให้เห็นว่าการปั๊มเลเซอร์ไดโอดร่วมกับชิป Photonic ด้วย Nonlinearity ที่แข็งแรงสามารถเป็นแหล่งพลังงานของ Frequency Comb ได้
เปิดประตู Nonlinear สู่การพัฒนา ‘DOPO’
สำหรับ Linear Optic โดยทั่วไปแล้วไม่ว่าจะวัสดุหรืออุปกรณ์ เช่น เลนส์คู่สำหรับแว่น จะตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าของแสงที่ตามสัสดส่วนที่เข้ามาทั้งนั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง คือ ความถี่ที่เข้ามาในอุปกรณ์นั้นเป็นแบบเดียวกับที่ออกไป ในทางกลับกันเมื่อมีเรื่องของ Nonlinearity เข้ามาเกี่ยวข้องแล้ว การตอบสนองจะไม่ได้เป็นสัดส่วนอีกต่อไป
หากจะเข้าใจแนวคิดนี้ได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น ต้องคิดถึงการตอบสนองของ Nonlinear ที่เรียกว่า Audio Distortion แบบที่แอมป์กีตาร์ถูกเปิดขึ้นเพิ่มอีกนิดหนึ่งเพื่อให้ได้โทนเสียงที่เป็นเนื้อเสียงแบบบริสุทธิ์ แต่ถ้าเปิดมากเกินไปคนฟังจะเริ่มได้ยิน Harmonics และ Overtone หรือถ้าเรียกกันในภาษาชาวบ้านก็จะเริ่มได้ยินเสียงแตก (Distortion) ซึ่งไม่ได้มีอยู่ในเสียงดั้งเดิม
ในกรณีนี้ก็เช่นกัน สำหรับวัสดุ Optical แบบ Nonlinear เมื่อแสงได้มีความเข้มข้นถึงระดับที่เพียงพอแล้ว อิเล็กทรอนในวัสดุได้เปลี่ยนจากการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าไม่ใช่แค่เป็นสัดส่วนที่เกี่ยวกับความเข้มของสนาม แต่ยังเกี่ยวข้องกับรูปทรงที่เหลี่ยมหรือลูกบาสก์ของสนามด้วย ผลกระทบที่เกิดขึ้นเป็นเป็นศูนย์กลางในการสร้าง Frequency Comb และตอบสนองต่อสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกกันว่า Quadratic และ Cubic Nonlinearity
ในระบบที่เป็นชิปทั้งหลาย Frequency Comb นั้นพึ่งพา Cubic Nonlinearity แม้ว่าผลกระทบเหล่านี้เกิดกับวัสดุ Optical ทุกตัว แต่ก็จะมีผลลัพธ์ที่อ่อนแรงกว่า Quadratic Nonlinearity สิ่งที่เกิดขึ้น คือ ความต้องการ Resonator ที่มีคุณภาพสูงมากเป็นพิเศษ Resonator เหล่านี้จะทำหน้าที่ดักแสงเอาไว้ จากนั้นจึงนำไปหมุนเวียนใน Resonator ให้นานพอที่จะสร้างการตอบสนองแบบ Nonlinear ที่เพียงพอ ซึ่งการสร้าง Resonator ที่มีคุณภาพสูงเช่นนี้จำเป็นต้องมี Stringent Fabrication Constraints นอกจากนี้ยังต้องมีการกำหนดข้อจำกัดโดยคุณสมบัติของวัสดุต่อช่วงความยาวคลื่นที่ Comb จะถูกสร้างขึ้นมา
อุปกรณ์ใหม่ที่ Caltech พัฒนาขึ้นมามีชื่อว่า Degenerate Optical Parametric Osscillator (DOPO) โดยแทนที่จะใช้ประโยชน์จาก Quadratic Nonlinearity ที่เข้มข้นมากๆ ในวัสดุที่เรียกว่า Lithium Niobate ซึ่งมักทำให้ Constraint ต่างๆ ผ่อนคลายลง Quadratic Nonlinearity ที่เข้มข้นเหล่านี้มักหายไปจากวัสดุที่นิยมใช้ใน Integrated Photonic เช่น Silica, Silicon และ Silicon Nitride เพราะความเข้มข้นของ Nonlinearity นี้เองทำให้ Resonator ไม่จำเป็นต้องดักแสงเอาไว้นานคราบที่ไปถึงเป้าหมายในการตอบสนองของ Nonlinear หมายความว่า Resonator คุณภาพต่ำนั้นง่ายกว่าในการสร้างผลลัพธ์การเป็น Nonlinear
การคงสถานะการมีอยู่แบบทวิภาค เปิดทางสู่ Dark Pulse
DOPO เปิดทางสู่การแปลง Optical Frequency เริ่มตั้งแต่แสงที่เข้าไปในระบบจะมีความถี่ ซึ่งจะสร้างสัญญาณแสงเป็นครึ่งหนึ่งของความถี่นั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสัญญาณแสงที่ออกมาสามารถรวมกับ Phase หรือ State ได้เพียง 2 เท่านั้นในสนามไฟฟ้าที่มีการ Oscillation ไม่ว่าจะ 0 หรือ π สามารถเขียนว่า +1 หรือ -1 ก็ได้ สยามสัญญาณต้องการที่จะมีคลื่นต่อเนื่องเป็น +1 หรือ -1 Amplitude
สิ่งที่น่าสนใจซึ่งได้ถูกคาดการณ์ไว้แต่ยังไม่มีการทดสอบ คือ สามารถใช้งาน DOPO ไม่ว่าจะเป็นในสถานะ +1 หรือ -1 สามารถมีตัวตนอยู่ร่วมกันได้ใน DOPO เมื่อสิ่งนี้เกิดจึ้น สองสถานะจะเชื่อมต่อกันที่ Transition Region (ค่าศูนย์) เกิดเป็น Dark Pulse ซึ่งเป็นการที่สัญญาณภายในสนามลดลงอย่างฉับพลันซึ่งปกติแล้วในสนามจะเกิดสัญญาณที่ต่อเนื่องขึ้น การเชื่อมต่อหรือขอบเขตนี้ มีประจุุุุของ Topological อยู่ นั่นหมายความว่ามันถูกยึดติดอยู่กับที่ นักฟิสิกส์เรียกโครงสร้างแบบนี้ว่า Topological Solition ซึ่งมีโครงสร้างที่แข็งแรง ทนทานแม้แต่การเกิดขึ้นของการรบกวนเล็กๆ น้อยๆ
ในเวอร์ชันของ Topological Soliton ที่เป็น Spatial จะพบว่า สองสถานะที่มี Phase ตรงกันข้ามกันมีตัวตนอยู่เคียงคู่กันในแสงที่เป็น Output ซึ่งสิ่งนี้ถูกสำรวจได้โดยนักวิทยาศาสตร์ในช่วงปี 1990 อย่างไรก็ตามงานนี้เป็นการทดลองแรกที่สาธิตว่า Soliton สามารถเกิดได้ใน Time Domain ที่ซึ่งสนามใน DOPO มีสถานะ +1 ในแต่ละรอบ และมีสถานะ -1 ในส่วนอื่นด้วย โดยทีมวิจัยระบุว่า Dark Pulse นั้นดำรงอยู่ประมาณ 60 Femtosecond
เพื่อยืนยันผลสัมฤทธิ์งานวิจัย ทีมวิจัยได้สาธิตการทดสอบแนวคิด (Proof-of-Concept) โดยการบูรณาการแหล่งพลังงาน Frequency Comb เต็มรูปแบบ โดยการ Coupling เลเซอร์ไดโอดที่ขับเคลื่อนโดยไฟฟ้าไปยังชิป DOPO ผลลัพธ์ คือ Solition Comb มีทั้ง 2 สถานะ และเกิดสถานะ Soliton Crystal ขึ้นมา ซึ่งหมายความว่ามี Soliton หลายชุด
ทีมวิจัยได้ทิ่ง้ายไว้ว่า ยังมีสิ่งที่ต้องเรียนรู้อีกมากในการทำความเข้าใจรูปแบบของสถานะ Topological Soliton และการวิวัฒนาการที่เกิดขึ้นภายใน DOPO โดยขั้นตอนต่อไป คือ การระบุคาแรคเตอร์ของพฤติกรรมและสำรวจแอปพลิเคชันที่มีศักยภาพมากกว่าการทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานให้ Frequency Comb
ที่มา:
Caltech
