I pettini di frequenza (Frequency comb) sono sorgenti luminose molto particolari la cui tecnologia è stata sviluppata negli ultimi vent'anni. Le molteplici applicazioni vanno dalla metrologia classica, alla spettroscopia molecolare, nonché orologi atomici, osservazioni astronomiche e telecomunicazioni. Nel 2005 viene assegnato il Nobel per la fisica a John Lewis Hall e Theodor W. Hänsch per lo sviluppo di tecniche innovative per la spettroscopia laser, soprattutto quella che faceva uso dei pettini di frequenza. Nasce così un nuovo campo di ricerca che sviluppa tecnologie all'avanguardia nel campo della fotonica integrata. L'obbiettivo ultimo è la miniaturizzazione on-chip di strutture guidanti per la generazione di tali sorgenti. Inizialmente venivano usati come pettini mode-locked laser di luce impulsata. Oggi si sfruttano le non-linearità ottiche di secondo e terzo ordine, di determinati materiali in cavità ottiche passive. In queste viene accoppiata radiazione elettromagnetica continua e monocromatica che genera nuove frequenze per interazioni nonlineari.
Nel mio progetto di ricerca, studiamo nuovi schemi per la generazione di comb di frequenza, la dinamica e la modellizzazione fisica. Consideriamo, nei nostri studi, un modello sviluppato trent'anni fa per la descrizione di formazione di onde solitoniche in strutture ottiche passive, oggi noto come l'equazione di Lugiato-Lefever (LLE). La dinamica è molto ricca e complessa, e nonostante il modello sia ampiamente studiato e dimostrato sperimentalmente, novità teoriche vengono puntualmente messe a punto. Noi proponiamo, ad esempio, sorgenti gaussiane con modulazione in fase o in ampiezza, per un controllo maggiore nella forma d'onda o nel locking range dello spettro del pettine.
Le innovazioni che vogliamo apportare nel campo di ricerca sono sia di tipo teorico che utili per le applicazioni. Schemi classici per la generazioni di pettini, prevedono come sorgente d'ingresso in cavità una luce monocromatica continua. Recentemente è stato dimostrato come sia comunque possibile utilizzare impulsi di tipo gaussiano. Qui noi abbiamo proposto due tipi differenti di accoppiamento in cavità: impulsi gaussiani modulati in fase o in ampiezza. Nel primo caso, abbiamo consolidato una teoria per il controllo di formazione solitonica in cavità. Abbiamo mostrato diversi tipi di pompaggio possibili e ipotizzato come questi possano essere utili per localizzare i solitoni all'interno dei risonatori ottici. Ritentiamo che questo possa essere di notevole interesse per la realizzazione sperimentale di pettini, dato che locking range che prevediamo con la nostra tecnica è notevolmente ampliato rispetto al caso di un pompaggio classico continuo. Uno dei problemi principali nella generazione di pettini per applicazioni metrologiche, infatti, è proprio la stabilità del solitone, uno stato stazionario tutt¿ora difficilmente eccitabile. Un altro tipo di pompaggio gaussiano, stavolta a con una fase fissa ma asincrono rispetto al Free Spectral Range della cavità, è stato considerato all'AIP-"Leibniz Institute for Astrophysics" di Postdam, con cui abbiamo collaborato per cercare di spiegare gli interessanti risultati sperimentali. In questo caso l'interesse sta nel fatto che il locking range del pettine generato è diverso dal Free Spectral Range della cavità, come accade tradizionalmente, e può essere controllato cambiando l'ampiezza di modulazione. A TRT-"Thales reasearch & technology" stiamo infine mettendo a punto una tecnica innovativa di design per cavità a cristallo fotonico. Normalmente, dopo aver disegnato una guida d'onda o più in generale un qualsiasi componente per circuiti ottici, si simula la propagazione tramite algoritmi di calcolo degli elementi finiti. Normalmente questi programmi sono molto pesanti e con un costo computazionale enorme. A volte, per simulare la propagazione su guide di qualche micron, sono necessari diversi giorni utilizzando server di calcolo. Qui noi proponiamo una tecnica per il disegno di cavità che non solo riduce notevolmente il costo computazionale all'ordine di qualche minuto, ma intende ottimizzare il disegno rispetto alla propagazione su guida voluta.