una. Esquema de los reactores de solitones ópticos paralelos basados en una cavidad de láser de fibra de anillo de modo bloqueado. La red temporal optomecánica (OM) habilitada por PCF proporciona potenciales de captura para albergar interacciones de solitones en paralelo, mientras que se pueden aplicar manipulaciones globales e individuales para controlar la interacción. B. Microestructura de PCF. C. Esquema de reacciones controladas de solitones en potenciales de captura paralelos. Los elementos solitónicos atrapados en cada reactor se pueden cambiar entre estados unidos de largo alcance sin correlación de fase y moléculas de solitón bloqueadas en fase, correspondiente a la síntesis y disociación de moléculas de solitón. Crédito:Wenbin He, Meng Pang, Dung-Han Yeh, Jiapeng Huang, Philip St.J. Russell
Los solitones ópticos son paquetes de ondas ópticas no lineales que pueden mantener su perfil durante la propagación, incluso en presencia de perturbaciones moderadas. Ofrecen aplicaciones útiles en comunicaciones ópticas, procesamiento de información totalmente óptico y técnicas láser ultrarrápidas.
Las interacciones entre solitones ópticos exhiben muchas propiedades similares a partículas, y se han investigado ampliamente durante décadas. Se ha descubierto que los estados ligados de los solitones ópticos en los sistemas disipativos no lineales manifiestan analogías únicas entre la materia y la luz y están personificados por las "moléculas de solitón", estructuras compactas de múltiples solitones que se propagan como entidades únicas invariantes.
La dinámica de las moléculas de solitón ha atraído un gran interés, especialmente la síntesis y disociación de moléculas de solitón que recuerdan las reacciones químicas. Sin embargo, el estudio de las moléculas de solitón se basó principalmente en excitaciones aleatorias incontroladas, y se ha estancado durante mucho tiempo en el nivel de un solo objeto, sin explorar las propiedades estocásticas y estadísticas que involucran cantidades masivas de solitones, lo que dificulta la realización de estudios de alto nivel de la dinámica de múltiples solitones.
En un nuevo artículo publicado en Ciencia y aplicación de la luz , un equipo de científicos, dirigido por el Dr. Wenbin He y el Dr. Meng Pang en la División del Prof. Philip Russell del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz ha desarrollado una plataforma única, "reactores de solitones ópticos paralelos", que puede albergar eventos masivamente dinámicos de moléculas de solitón.
Tales reactores paralelos, asemejándose a reactores químicos, puede aislar y albergar varios solitones, y luego manipular sus interacciones a través de varios métodos totalmente ópticos. Cuando cientos de estos reactores en paralelo funcionan simultáneamente con estados iniciales y técnicas de control cuidadosamente preparados, La síntesis y disociación de moléculas de solitón bajo demanda se puede iniciar en cantidades masivas, desplegando un panorama novedoso de dinámicas de múltiples solitones que son de naturaleza estocástica.
Es más, Las reglas estadísticas se pueden derivar de las reacciones masivamente paralelas, reglas que se asemejan mucho a la cinética química clásica, promoviendo la analogía convencional materia-luz a un nivel colectivo. Estos resultados aportan una visión de alto nivel de la dinámica del solitón que puede beneficiar tanto a la investigación fundamental como a las aplicaciones prácticas.
Los reactores de solitones ópticos paralelos se basan en una red optomecánica única que se crea utilizando un láser de fibra optoacústicamente bloqueado en modo. En realidad, el componente clave es solo un trozo corto de fibra de cristal fotónico (PCF), una fibra óptica microestructurada especial que tiene un micro-núcleo rodeado por una serie de canales huecos.
una. Paneles superiores:fotogramas seleccionados de una grabación experimental del proceso de síntesis en los 195 reactores, trazada en coordenadas cilíndricas Paneles inferiores:La señal DFT correspondiente. Las franjas espectrales estables en la señal DFT indican la formación de moléculas de solitón bloqueadas en fase. B. Evolución en el dominio del tiempo en 8 intervalos de tiempo consecutivos durante los 49 iniciales, 000 viajes de ida y vuelta (~ 5 ms). C. El número acumulado de colisiones de solitones es proporcional al número de moléculas de solitón en los 195 reactores durante una sola síntesis (círculos rojos). Crédito:Wenbin He, Meng Pang, Dung-Han Yeh, Jiapeng Huang, Philip St.J. Russell
"Láseres de fibra optoacústicamente bloqueados en modo basados en PCF de micro-núcleo, "explican los científicos, "que se han desarrollado en nuestro laboratorio durante muchos años, hacer uso de las interacciones optoacústicas mejoradas en el PCF de micro-núcleo. Cuando se inserta en un láser de fibra de modo bloqueado convencional, el PCF proporciona una resonancia acústica, normalmente a una velocidad de GHz, a través del cual la cavidad de fibra de metros de largo se puede dividir efectivamente en cientos de intervalos de tiempo, cada uno correspondiente a un ciclo de vibración acústica, conduciendo a la formación de una red optomecánica. Cada intervalo de tiempo, o 'celda de celosía' puede albergar múltiples solitones que están aislados de otros intervalos de tiempo y pueden manipularse, funcionando como muchos reactores paralelos en los que los reactivos son solitones ópticos en lugar de átomos y moléculas reales ".
"El mayor avance de este trabajo es el control bajo demanda de las interacciones del solitón en cada reactor paralelo alojado por la red optomecánica. Clasificamos los métodos en dos tipos. Uno se basó en las perturbaciones de la cavidad láser que afectan a todos los reactores simultáneamente, que se llama "control global". El otro utiliza pulsos de direccionamiento externo para inducir perturbaciones en reactores seleccionados sin afectar a los demás, que se llama "control individual". Las interacciones de solitón de largo alcance sin correlación de fase juegan un papel importante en dicha interacción controlada. La síntesis y disociación controladas de las moléculas de solitón se posibilita en realidad mediante una cuidadosa adaptación de las interacciones de solitón de largo alcance ".
"Mediante un ajuste cuidadoso de la cavidad láser, Hemos iniciado con éxito cientos de eventos de síntesis / disociación de moléculas de solitón en paralelo. Empleamos el método de la transformada de Fourier dispersiva (DFT) para capturar la dinámica transitoria de múltiples solitones en cada reactor. Al analizar estos eventos masivamente paralelos registrados en el experimento, que no están disponibles en estudios anteriores, hemos revelado muchas características de la dinámica de varios solitones, incluyendo algunas reglas estadísticas que emulan la cinética química clásica, sugiriendo una analogía materia-luz a nivel colectivo ".
"La técnica presentada ofreció una serie de nuevas posibilidades para el estudio de los solitones ópticos. Muchos fenómenos relacionados con la dinámica de los solitones posiblemente se pueden reexaminar utilizando este esquema de reactor paralelo para obtener una visión a nivel colectivo. Las diversas técnicas de control, especialmente los métodos de control individuales que permitieron la edición selectiva de estados de múltiples solitones, puede ser potencialmente útil en la tecnología de la información óptica que utiliza solitones como portadores de bits. También esperamos que el concepto de reactores en paralelo se realice en otras plataformas, p.ej. utilizando una serie masiva de micro-resonadores ", pronosticaron los científicos.
