Kolliderende solitoner i optiske mikroresonatorer for at afsløre vigtig fundamental fysik

Solitoner er selvforstærkende partikellignende bølgepakker muliggjort af balancen mellem spredning og ikke-linearitet. Forekommer i hydrodynamik, lasere, kolde atomer, og plasmaer, solitoner genereres, når et laserfelt er begrænset i en cirkulær resonator med ultralavt tab, som producerer flere solitoner, der rejser rundt i resonatoren.

Normalt, disse solitoner rejser med samme hastighed, så de kommer sjældent tæt på hinanden. Imidlertid, når solitoner støder ind i hinanden, de kan afsløre vigtig grundlæggende fysik i systemet, inklusive værtsresonatorens egenskaber og dens ikke-linearitet. Hvad dette betyder er, at demonstration og kontrol af soliton-kollisioner i optiske mikroresonatorer er et hovedmål for forskere i ikke-lineær dynamik og soliton-fysik.

Udgivet i Fysisk gennemgang X , forskere ved Tobias Kippenbergs laboratorium på EPFL har nu udviklet en ny og effektiv metode til at generere solitonkollisioner i mikroresonatorer. Metoden bruger to lasere til at generere to forskellige soliton-arter - hver art har en unik rejsehastighed - i en krystallinsk hviskende galleritilstandsresonator.

Forskerne indtaster to laserfelter i mikroresonatoren, at køre to soliton-arter, hvis hastighedsmismatch kan kontrolleres fleksibelt. Som resultat, solitoner med forskellig hastighed støder ind i hinanden.

Afhængigt af forskellen mellem solitonernes hastigheder, forskellige solitoner kan enten binde sig til hinanden efter at de kolliderer eller krydse hinanden. Da hver kollision sker på meget kort tid, konventionelle teknikker kan ikke løse individuelle soliton-adfærd.

Her brugte forskerne et pulstog produceret af højhastighedsmodulatorer til at sondere solitonerne. Interferensen mellem pulserne og solitonerne genererer elektroniske signaler, der kan optages og analyseres, giver forskerne mulighed for at sammenligne resultaterne med teoretiske simuleringer, der præcist forudsiger de eksperimentelle observationer.

Dette fænomen viser, hvor robuste disse solitons i optiske mikroresonatorer kan være. "Under solitonkollisionen kan en individuel solitons form blive væsentligt forvrænget, og dens energi udviser dramatiske vibrationer, " forklarer Wenle Weng, papirets første forfatter. "Endnu, de kan overleve den stærke påvirkning fra kollisionen, og de kan forene sig med eller løsne sig fra hinanden efter kollisionen."

Værket introducerer en praktisk, men kraftfuld platform til at studere komplekse soliton-interaktioner og forbigående ikke-lineær dynamik. Men det kan også have hjælp til at generere synkroniserede frekvenskamme og soliton-baseret optisk telekommunikation. Kollisions- og bindingsmekanismerne kan bruges til at konstruere frekvenskamme med ukonventionelle strukturer til optisk metrologi, og for at forbedre båndbredden af ​​frekvenskamme generelt.