Optiska solitoner är olinjära optiska vågpaket som kan behålla sin profil under utbredning, även i närvaro av måttliga störningar. De erbjuder användbara applikationer inom optisk kommunikation, helt optisk informationsbehandling och ultrasnabba lasertekniker.

Interaktionerna mellan optiska solitoner uppvisar många partikelliknande egenskaper, och har undersökts flitigt i decennier. De bundna tillstånden för optiska solitoner i icke-linjära dissipativa system har visat sig manifestera unika materia-ljus-analogier och är sammanfattade av "solitonmolekylerna" - kompakta multi-solitonstrukturer som fortplantar sig som oföränderliga enstaka enheter.

Dynamiken hos solitonmolekyler har väckt stort intresse, speciellt syntesen och dissocieringen av solitonmolekyler som påminner om kemiska reaktioner. Dock, studien av solitonmolekyler förlitade sig mest på okontrollerade slumpmässiga excitationer, och har länge hamnat på en platå på enobjektsnivå, utan att utforska de stokastiska och statistiska egenskaperna som involverar ett enormt antal solitoner, vilket gör det svårt att utföra studier på högre nivå av multi-solitondynamik.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , ett team av forskare, ledd av Dr Wenbin He och Dr Meng Pang i Prof. Philip Russells avdelning vid Max Planck Institute for the Science of Light har utvecklat en unik plattform, "parallella optiska solitonreaktorer", som kan vara värd för massivt dynamiska händelser av solitonmolekyler.

Sådana parallella reaktorer, liknar kemiska reaktorer, kan isolera och vara värd för flera solitoner, och sedan manipulera deras interaktioner genom olika helt optiska metoder. När hundratals sådana parallella reaktorer drivs samtidigt med noggrant förberedda initialtillstånd och kontrolltekniker, on-demand-syntes och dissociationer av solitonmolekyler kan initieras i enormt antal, utvecklar ett nytt panorama av multi-solitondynamik som är stokastisk till sin natur.

Dessutom, statistiska regler kan härledas från de massivt parallella reaktionerna, regler som i hög grad liknar klassisk kemisk kinetik, främja den konventionella materia-ljus-analogin till en kollektiv nivå. Dessa resultat ger en insikt på högre nivå i solitons dynamik som kan gynna både grundläggande forskning och praktiska tillämpningar.

De parallella optiska solitonreaktorerna är baserade på ett unikt optomekaniskt gitter som skapas med en optoakustiskt modlåst fiberlaser. Nyckelkomponenten är faktiskt bara en kort bit av fotonisk kristallfiber (PCF) - en speciell mikrostrukturerad optisk fiber som har en mikrokärna omgiven av en rad ihåliga kanaler.

"Optoakustiskt lägeslåsta fiberlasrar baserade på mikrokärna PCF, "Forskarna förklarar, "som har utvecklats i vårt labb i många år, utnyttja de förbättrade optoakustiska interaktionerna i mikrokärnan PCF. När den sätts in i en konventionell modlåst fiberlaser, PCF ger en akustisk resonans, vanligtvis vid GHz-hastighet, genom vilken den meterlånga fiberkaviteten effektivt kan delas upp i hundratals tidsluckor, var och en motsvarar en akustisk vibrationscykel, leder till bildandet av ett optomekaniskt gitter. Varje tidslucka, eller "gittercell" kan vara värd för flera solitoner som är isolerade från andra tidsluckor och kan manipuleras, fungerar lika många parallella reaktorer där reaktanterna är optiska solitoner istället för riktiga atomer och molekyler."

"Det stora genombrottet för detta arbete är on-demand-kontrollen av soliton-interaktionerna i varje parallellreaktor som är värd för det optomekaniska gittret. Vi kategoriserade metoderna i två typer. En förlitade sig på laserkavitetsstörningar som påverkar alla reaktorer samtidigt, som kallas "global kontroll". Den andra använder externa adresseringspulser för att inducera störningar på utvalda reaktorer utan att påverka de andra, som kallas "individuell kontroll". Fasokorrelerade långväga solitoninteraktioner spelar en viktig roll i sådan kontrollerad interaktion. Den kontrollerade syntesen och dissociationen av solitonmolekyler möjliggörs faktiskt genom noggrann anpassning av solitoninteraktionerna på lång räckvidd."

"Genom noggrann justering av laserkaviteten, vi har framgångsrikt initierat hundratals soliton-molekylsyntes/dissociationshändelser parallellt. Vi använde den dispersiva Fourier-transformmetoden (DFT) för att fånga den transienta multi-solitondynamiken i varje reaktor. Genom att analysera dessa massivt parallella händelser som registrerats i experimentet, som inte är tillgängliga i tidigare studier, vi har avslöjat många funktioner i multi-soliton dynamik, inklusive några statistiska regler som efterliknar klassisk kemisk kinetik, föreslår en materia-ljus-analogi på kollektiv nivå."

"Den presenterade tekniken erbjöd en rad nya möjligheter för att studera optiska solitoner. Många fenomen som rör solitons dynamik kan möjligen omprövas med hjälp av ett sådant parallellreaktorschema för att få en insikt på kollektiv nivå. De olika styrteknikerna, speciellt de individuella kontrollmetoderna som möjliggjorde selektiv redigering av multi-solitontillstånd, kan vara potentiellt användbar inom optisk informationsteknologi som använder solitoner som bitbärare. Vi förväntar oss också att konceptet med parallella reaktorer kommer att realiseras på andra plattformar, t.ex. med hjälp av en enorm mängd mikroresonatorer." förutspår forskarna.