涌现的非线性现象:光频率梳发现了一个新的维度

光子二聚体中的齿轮孤子

在光子二聚体中的齿轮孤子。信用:EPFL / Alexey Tikan

周期性光脉冲在频域内形成梳状结构,广泛应用于传感和测距。这种技术小型化到集成芯片解决方案的关键是在环形微谐振器中产生耗散孤子。耗散孤子是在非线性谐振腔的圆周上循环的稳定脉冲。

自从他们的第一次演示以来,已经广泛研究了耗散孤子形成的过程,今天它被视为教科书知识。世界各地的不同研究群体积极调查了几个进一步发展的方向。这些方向之一是耦合谐振器中的孤子的产生。许多谐振器的集体效果都承担了更好的性能和控制频率梳理,利用另一个(空间)维度。

但是额外谐振器的耦合如何改变孤子生成过程?任何类型的相同振荡器彼此影响,不能再被认为是一组不同的元素。由于杂交现象,这种系统的激发会影响其所有元素,并且该系统必须整体处理。

当发生杂交时的最简单情况是两个耦合振荡器,或者在分子术语中,二聚体。除了形成分子的耦合摆和原子,耦合光学微生物的模式经历杂交,但与其他系统相比,涉及模式的数量大(通常来自数百个)。因此,在光子二聚体中的孤子在涉及两个谐振器的杂交模式中产生,如果可以访问杂交参数,则增加另一种控制程度。

齿轮为二聚体的杂化模式

齿轮作为二聚体的杂交模式和一个齿轮孤子的光谱轮廓。信用:EPFL / Alexey Tikan

发表于自然物理,来自Paul Seidler的EPFL和IBM研究欧洲的托比亚J.Kippenberg实验室的研究人员展示了由两个微生物制成的光子分子中的耗散孤子的产生。二聚体中的孤子的产生意味着两个谐振器环中的两个反向播放的孤子。各模式背后的底层电场类似于两个档位,这就是为什么光子二聚体中的孤子称为齿轮孤子。在谐振器上压印加热器,从而控制杂交,作者证明了基于孤子的频率梳的实时调整。

即使是简单的二聚体排列,除了产生杂化(齿轮)孤子外,也表现出了多种涌现现象,即不存在于单粒子(谐振器)能级的现象。例如,研究人员预测了孤子跳变的影响:在保持孤子状态的同时,形成二聚体的谐振腔之间进行周期性的能量交换。这一现象是两种杂化模族中同时产生孤子的结果,它们的相互作用导致能量振荡。例如,孤子跳频可以用于在射频域中生成可配置的梳式。

“单一谐振器中孤子生成的物理学在今天相对良好地理解,”光子学和量子测量实验室的研究员,EPFL。“该领域正在探究其他发展方向和改进。耦合谐振器是少数这样的观点中的一种。这种方法将允许从邻近物理领域的概念就业。例如,可以通过在晶格中耦合谐振器来形成拓扑绝缘体(以固态物理中已知),这将导致产生鲁棒频率梳理的产生与晶格的缺陷,并且同时利用增强型效率和额外的控制程度。我们的工作对这些迷人的想法进行了一步!“

Reference: “Emergent nonlinear phenomena in a driven dissipative photonic dimer” by A. Tikan, J. Riemensberger, K. Komagata, S. Hönl, M. Churaev, C. Skehan, H. Guo, R. N. Wang, J. Liu, P. Seidler and T. J. Kippenberg, 15 February 2021,自然物理
DOI:10.1038 / s41567-020-01159-y

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