Optikforskning viser bølgeledere, der garanterer stabil udbredelse af azimuthoner

Den optiske hvirvel spiller en stadig vigtigere rolle i optisk informationsbehandling. Som informationsbærer, det forbedrer kapaciteten af ​​kanaler og tilbyder et uafhængigt aspekt til analyse - forskelligt fra polarisering, intensitet, fase, og sti. En ny grad af frihed til kodning og kryptering af optisk information kan tilvejebringes via ikke -lineær optik, ved hjælp af hvirvelstråler kendt som azimuthoner, som bærer en orbital vinkelmomentum og nu kan fås til at udvise et gensidigt konverteringsmønster kendt som Rabi-oscillation.

En kvanteeffekt opkaldt efter Nobelprisen i fysik i 1944, modtager Isidor Rabi, Rabi-oscillation betegner en periodisk bevægelse - en slags flopping - mellem to forskellige energiniveauer i nærvær af et oscillerende drivfelt. Effekten undersøges også i fotonik, hvor det oscillerende drivfelt kan efterlignes af en let periodisk langsgående modulering af brydningsindeksændringen af ​​mediet. Indtil nu, Rabi -svingninger er for det meste blevet undersøgt i lineære systemer, men de mest interessante fænomener har en tendens til at dukke op i det ikke-lineære område.

Azimuthoner udviser konstant rotation ved udbredelse, men de er generelt ustabile, så de opløses typisk under forplantningsprocessen. En løsning på dette ustabilitetsproblem findes i ikke-linearitet, som foreslået af et forskerhold ledet af Yiqi Zhang fra Xi'an Jiaotong University, som for nylig demonstrerede svagt ikke-lineære bølgeledere, der garanterer stabil udbredelse af azimuthoner. Deres rapport er offentliggjort i Avanceret fotonik .

Ikke -lineær, multimodal bølgeleder:fra rotation til oscillation

Holdet bestemte specifikke krav til en svag ikke-linearitet:(1) både de lineære og ikke-lineære inducerede indeksændringer er små sammenlignet med det omgivende brydningsindeks, og (2) den inducerede ikke-lineære indeksændring er meget mindre end den lineære. Deres teoretiske undersøgelser viste, at dybden af ​​det inducerede potentiale er tæt forbundet med den tværgående størrelse af bølgelederen. Dette indikerede, at multimode optiske fibre kunne bruges til at opnå en dyb potentiel energibrønd, der også ville tillade overfladisk modulering.

Med disse elementer i tankerne, Zhang og kolleger udviklede en svagt ikke-lineær bølgeleder, der eksplicit er multimode. De parrede forskellige tilstande med forskellige modale fordelinger. Ved at indføre en π-faseforskydning og en amplitudemodulation til én tilstand, og så overlejre den anden, de opnåede en azimutmoduleret hvirvel. Takket være tilstedeværelsen af ​​ikke -linearitet og en svag langsgående periodisk modulering af potentialet, den azimutmodulerede hvirvel roterer med en fast vinkelhastighed under udbredelsen og udviser Rabi-oscillation (flopping) mellem de to tilstande.

Forfatterne bemærkede, at den rumlige symmetri af udbredelsesstrålen vil ændre sig periodisk i processen. Ifølge koblet-mode teori, Rabi-oscillationer er hovedsageligt påvirket af den langsgående modulationsstyrke og den rumlige symmetri af de overlejrede azimuthoner. Uden langsgående modulering, azimuthonen roterer med en konstant hastighed, og dens profil bevares. Men, med let langsgående modulation, gensidig omdannelse af forskellige azimuthoner kan observeres under udbredelsen:Rabi-oscillationerne.

Senior forfatter Yiqi Zhang, lektor ved School of Electronic Science and Engineering ved Xi'an Jiaotong University, bemærkninger, "Da vores model understøtter højere ordens azimuthoner med højere topologiske ladninger, der er mange muligheder for at vælge det orbitale vinkelmoment, der bæres af lysstrålerne. Imidlertid, Rabi -svingningen kan kun ske mellem azimuthoner med bestemte profiler. Vi har nu nogle ideer til, hvordan vi kan overvinde den begrænsning, så vi fortsætter vores undersøgelser."

Varianter af hvirvler

Ud over dets løfte om at forbedre optisk informationsbehandling, demonstrationen af ​​Rabi-oscillationer af azimuthoner bidrager til en bedre forståelse af hvirvlernes rotationsdynamik og den iboende rolle af ikke-linearitet i reguleringen af ​​disse dynamikker. Intrigeret af rumlig feltmanipulation i ikke -lineære optiske systemer, Forfatterne bemærker, at deres resultater er vigtige for potentielle fremskridt inden for fotonik, for eksempel i spiralformede bølgeledere eller topologiske isolatorer. Mere bredt, deres indsigt kan bidrage til en forbedret forståelse af dagligdagsfænomener som cykloner eller tornadoer, eller hvirvler, der dannes i kølvandet på et fly.