une. Schéma des réacteurs parallèles optiques-solitons basés sur une cavité laser à fibre annulaire à verrouillage de mode. Le réseau optomécanique temporel (OM) activé par 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 de molécules de solitons. Crédit :Wenbin He, Meng Pang, Dung-Han Yeh, Jiapeng Huang, Philippe 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. Ils offrent des applications utiles dans les communications optiques, traitement de l'information tout optique et techniques laser ultrarapides.
Les interactions entre les solitons optiques présentent de nombreuses propriétés semblables à celles des particules, et ont été largement étudiés pendant des décennies. Les états liés des solitons optiques dans les systèmes dissipatifs non linéaires 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 en tant qu'entités uniques invariantes.
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 majoritairement sur des excitations aléatoires non contrôlées, et a longtemps plafonné au niveau de l'objet unique, sans explorer les propriétés stochastiques et statistiques qui impliquent des nombres massifs de solitons, rendant difficile la réalisation d'études de haut niveau sur la dynamique des multi-solitons.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application , une équipe de scientifiques, dirigé par le Dr Wenbin He et le Dr Meng Pang dans la division du professeur Philip Russell de l'Institut Max Planck pour la science de la lumière a développé une plate-forme unique, "réacteurs optiques-solitons parallèles", qui peuvent héberger des événements massivement dynamiques de molécules de solitons.
De tels réacteurs parallèles, ressemblant à des réacteurs chimiques, peut isoler et héberger plusieurs 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 à la demande et les dissociations de molécules de solitons peuvent être initiées en grand nombre, déployant un panorama inédit de dynamiques multi-solitons de nature stochastique.
De plus, des règles statistiques peuvent être déduites des réactions massivement parallèles, des règles très proches de la cinétique chimique classique, promouvoir l'analogie matière-lumière conventionnelle 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 et aux applications pratiques.
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.
une. Panneaux supérieurs :images sélectionnées à partir d'un enregistrement expérimental du processus de synthèse sur les 195 réacteurs, tracé 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. Evolution du domaine temporel en 8 tranches de temps consécutives sur les 49 initiales, 000 allers-retours (~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, Philippe St.J. Russel
« Lasers à fibre à verrouillage de mode opto-acoustique basés sur des PCF à micro-cœur, " expliquent les scientifiques, "qui ont été développées dans notre laboratoire depuis de nombreuses années, utiliser les interactions optoacoustiques améliorées dans le micro-cœur PCF. Lorsqu'il est inséré dans un laser à fibre à mode verrouillé conventionnel, le PCF fournit une résonance acoustique, généralement au taux de GHz, à travers laquelle la cavité de fibre de plusieurs mètres de long peut être efficacement divisée en centaines de tranches de temps, correspondant chacun à un cycle de vibration acoustique, conduisant à la formation d'un réseau optomécanique. A chaque créneau horaire, ou « cellule en réseau » peut héberger plusieurs solitons qui sont isolés d'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'une reposait sur les perturbations de la cavité laser qui affectent tous les réacteurs simultanément, ce qu'on appelle le "contrôle global". L'autre utilise des impulsions d'adressage externes pour induire des perturbations sur des réacteurs sélectionnés sans affecter les autres, ce qu'on appelle le "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. »
"Par un réglage minutieux de 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 fonctionnalités de la dynamique multi-solitons, incluant quelques règles statistiques qui émulent la cinétique chimique classique, suggérant une analogie matière-lumière au niveau collectif."
"La technique présentée a offert 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 réacteur parallèle pour obtenir un aperçu au niveau collectif. Les différentes techniques de contrôle, en particulier les méthodes de contrôle individuel qui ont permis l'édition sélective des états multi-solitons, peut être potentiellement utile 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 une vaste gamme de micro-résonateurs. » les scientifiques prévoient.
