Les solitons sont des paquets d'ondes semblables à des particules qui s'auto-renforcent grâce à l'équilibre entre la dispersion et la non-linéarité. Présent en hydrodynamique, laser, atomes froids, et plasmas, des solitons sont générés lorsqu'un champ laser est confiné dans un résonateur circulaire à ultra-faible perte, qui produit plusieurs solitons se déplaçant autour du résonateur.

Normalement, ces solitons voyagent à la même vitesse, ils se rapprochent donc rarement l'un de l'autre. Cependant, quand les solitons se heurtent, ils peuvent révéler une physique fondamentale importante du système, y compris les propriétés du résonateur hôte et sa non-linéarité. Cela signifie que démontrer et contrôler les collisions de solitons dans les microrésonateurs optiques est un objectif majeur pour les chercheurs en dynamique non linéaire et en physique des solitons.

Publié dans Examen physique X , des chercheurs du laboratoire de Tobias Kippenberg à l'EPFL ont maintenant développé une méthode originale et efficace pour générer des collisions de solitons dans des microrésonateurs. L'approche utilise deux lasers pour générer deux espèces de solitons différentes (chaque espèce a une vitesse de déplacement unique) dans un résonateur cristallin en mode galerie.

Les chercheurs ont introduit deux champs laser dans le microrésonateur, la conduite de deux espèces de solitons dont le décalage de vitesse peut être contrôlé de manière flexible. Par conséquent, des solitons avec des vitesses différentes se heurtent les uns aux autres.

En fonction de la différence entre les vitesses des solitons, différents solitons peuvent se lier les uns aux autres après leur collision ou se croiser. Comme chaque collision se produit en très peu de temps, les techniques conventionnelles ne peuvent pas résoudre les comportements individuels des solitons.

Ici, les chercheurs ont utilisé un train d'impulsions produit par des modulateurs à grande vitesse pour sonder les solitons. L'interférence entre les impulsions et les solitons génère des signaux électroniques qui peuvent être enregistrés et analysés, permettant aux chercheurs de comparer les résultats avec des simulations théoriques qui prédisent avec précision les observations expérimentales.

Ce phénomène montre à quel point ces solitons dans les microrésonateurs optiques peuvent être robustes. "Pendant la collision du soliton, la forme d'un soliton individuel peut être considérablement déformée, et son énergie présente des vibrations dramatiques, " explique Wenle Weng, le premier auteur de l'article. "Encore, ils peuvent survivre au fort impact de la collision, et ils peuvent s'unir ou se désengager l'un de l'autre après la collision."

Le travail présente une plate-forme pratique mais puissante pour étudier les interactions complexes des solitons et la dynamique non linéaire transitoire. Mais il peut aussi aider à générer des peignes de fréquence synchronisés et des télécommunications optiques à base de solitons. Les mécanismes de collision et de liaison peuvent être utilisés pour construire des peignes de fréquence avec des structures non conventionnelles pour la métrologie optique, et pour améliorer la bande passante des peignes de fréquence en général.