une. Schéma des réacteurs parallèles optiques-solitons basés sur une cavité laser à fibre annulaire à mode verrouillé. Le réseau optomécanique temporel (OM) activé par la fibre à cristal photonique (PCF) fournit des potentiels de piégeage pour héberger des interactions solitons parallèles, tandis que des manipulations globales et individuelles peuvent être appliquées pour contrôler l’interaction. b. Microstructure PCF. c. Schéma de réactions contrôlées de solitons dans des potentiels de piégeage parallèles. Les éléments solitoniques piégés dans chaque réacteur peuvent être transférés entre des états liés à longue distance non corrélés en phase et des molécules de solitons à verrouillage de phase, correspondant à la synthèse et à la dissociation des molécules de solitons. Crédit : Wenbin He, Meng Pang, Dung-Han Yeh, Jiapeng Huang, Philip St.J. Russel
Les solitons optiques sont des paquets d’ondes optiques non linéaires qui peuvent maintenir leur profil pendant la propagation même en présence de perturbations modérées, offrant des applications utiles dans les communications optiques, le traitement de l’information tout optique ainsi que les techniques laser ultrarapides. L’interaction entre les solitons optiques présente de nombreuses propriétés de type particule et a été largement étudiée depuis des décennies. En particulier, les états liés des solitons optiques dans les systèmes dissipatifs non linéaires, résultant d’interactions équilibrées, se sont avérés manifester des analogies uniques entre la matière et la lumière et sont incarnés par les «molécules de solitons» – des structures multi-solitons compactes qui se propagent comme invariantes. entités uniques.
La dynamique des molécules de solitons a suscité un grand intérêt, en particulier la synthèse et la dissociation de molécules de solitons qui rappellent des réactions chimiques. Cependant, l’étude des molécules de solitons reposait principalement sur des excitations aléatoires non contrôlées et s’est longtemps stabilisée au niveau d’un seul objet sans explorer les propriétés stochastiques et statistiques qui impliquent un nombre massif de solitons, ce qui rend difficile la réalisation d’une étude de niveau supérieur de plusieurs dynamique des solitons.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application, une équipe de scientifiques, dirigée par le Dr Wenbin He et le Dr Meng Pang de la division du professeur Philip Russell de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière en Allemagne, a développé une plate-forme unique, appelée « réacteurs optiques à solitons parallèles » qui peuvent héberger des événements massivement dynamiques de molécules de solitons. De tels réacteurs parallèles, ressemblant à des réacteurs chimiques, peuvent isoler et héberger de multiples solitons, puis manipuler leurs interactions par diverses méthodes tout optiques.
Lorsque des centaines de ces réacteurs parallèles fonctionnent simultanément avec des états initiaux et des techniques de contrôle soigneusement préparés, la synthèse et les dissociations à la demande de molécules de solitons peuvent être initiées en grand nombre, déployant un nouveau panorama de dynamiques multi-solitons de nature stochastique. De plus, des règles statistiques sont trouvées à partir des réactions massivement parallèles qui ressemblent beaucoup à la cinétique chimique classique, qui promeuvent l’analogie conventionnelle matière-lumière à un niveau collectif. Ces résultats apportent un éclairage de plus haut niveau sur la dynamique des solitons qui peut bénéficier à la fois à la recherche fondamentale pour les systèmes non linéaires, mais également à des applications pratiques impliquant un nombre massif de solitons optiques.
une. Panneaux supérieurs : images sélectionnées à partir d’un enregistrement expérimental du processus de synthèse sur l’ensemble des 195 réacteurs, tracées en coordonnées cylindriques Panneaux inférieurs : le signal DFT correspondant. Les franges spectrales stables dans le signal DFT indiquent la formation de molécules de solitons à verrouillage de phase. b. Évolution du domaine temporel dans 8 tranches de temps consécutives au cours des 49 000 allers-retours initiaux (~5 ms). c. Le nombre cumulé de collisions de solitons est proportionnel au nombre de molécules de solitons dans les 195 réacteurs au cours d’une seule synthèse (cercles rouges). Crédit : Wenbin He, Meng Pang, Dung-Han Yeh, Jiapeng Huang, Philip St.J. Russel
Les réacteurs optiques-solitons parallèles sont basés sur un réseau optomécanique unique qui est créé à l’aide d’un laser à fibre à verrouillage de mode optoacoustique. Le composant clé n’est en fait qu’un court morceau de fibre à cristal photonique (PCF) – une fibre optique microstructurée spéciale qui a un micro-cœur entouré d’un réseau de canaux creux. Ces scientifiques résument le principe de fonctionnement de leurs réacteurs parallèles :
« Les lasers à fibre à verrouillage de mode opto-acoustique basés sur des PCF à micro-cœur, qui ont été développés dans notre laboratoire depuis de nombreuses années, utilisent les interactions optoacoustiques améliorées dans le PCF à micro-cœur. Lorsqu’il est inséré dans un laser à fibre à mode verrouillé conventionnel, le PCF fournit une résonance acoustique, généralement à une fréquence de GHz, à travers laquelle la cavité de fibre de plusieurs mètres peut être efficacement divisée en centaines de tranches de temps, chacune correspondant à un cycle de vibration acoustique, conduisant à la formation d’un réseau optomécanique. Chaque intervalle de temps, ou « cellule en réseau » peut héberger plusieurs solitons qui sont isolés des autres intervalles de temps et peuvent être manipulés, fonctionnant comme autant de réacteurs parallèles dans lesquels les réactifs sont des solitons optiques au lieu de vrais atomes et molécules. »
« La percée majeure de ce travail est le contrôle à la demande des interactions solitons dans chaque réacteur parallèle hébergé par le réseau optomécanique. Nous avons classé les méthodes en deux types. L’un s’est appuyé sur les perturbations de la cavité laser qui affectent tous les réacteurs simultanément, ce qui est appelé « contrôle global ». L’autre utilise des impulsions d’adressage externes pour induire des perturbations sur des réacteurs sélectionnés sans affecter les autres, ce qui est appelé « contrôle individuel ». Les interactions solitons à longue distance non corrélées en phase jouent un rôle important dans une telle interaction contrôlée. La synthèse et la dissociation contrôlées des molécules de solitons sont en fait rendues possibles par une adaptation minutieuse des interactions de solitons à longue distance.
« En ajustant soigneusement la cavité laser, nous avons initié avec succès des centaines d’événements de synthèse/dissociation soliton-molécule en parallèle. Nous avons utilisé la méthode de la transformée de Fourier dispersive (DFT) pour capturer la dynamique transitoire des multi-solitons dans chaque réacteur. En analysant ces événements massivement parallèles enregistrés dans l’expérience, qui ne sont pas disponibles dans les études précédentes, nous avons dévoilé de nombreuses caractéristiques de la dynamique multi-solitons, y compris quelques règles statistiques qui émulent la cinétique chimique classique, suggérant une analogie matière-lumière au niveau collectif. “
« La technique présentée offrait une série de nouvelles possibilités pour l’étude des solitons optiques. De nombreux phénomènes concernant la dynamique des solitons peuvent éventuellement être réexaminés en utilisant un tel schéma de réacteurs parallèles pour obtenir un aperçu au niveau collectif. Les différentes techniques de contrôle, en particulier les méthodes de contrôle individuelles qui ont permis l’édition sélective d’états multi-solitons, peuvent être potentiellement utiles dans les technologies de l’information optique qui utilisent des solitons comme porteurs de bits. Nous nous attendons également à ce que le concept de réacteurs parallèles soit réalisé dans d’autres plates-formes, par exemple en utilisant un ensemble massif de micro-résonateurs. les scientifiques prédisent.
Référence : « Synthèse et dissociation de molécules de solitons dans des réacteurs optiques à solitons parallèles » par Wenbin He, Meng Pang, Dung-Han Yeh, Jiapeng Huang et Philip. St. J. Russell, 7 juin 2021, Lumière : science et applications.
DOI : 10.1038/s41377-021-00558-x
