[論文レビュー] Noise-induced topological transformations of vortex solitons in optical fibers filled with a cold atomic gas

A. V. Prokhorov, M. G. Gladush+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2013

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 48被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、光学ポンプを施した冷たい原子ガスで満たされたホロウコア光ファイバ内における光学渦巻きソリトンのノイズ誘発的位相的変換を調査している。数値シミュレーションを用いて、ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）の臨界温度未満（T < T_cr）における、特に光学的および原子的揺らぎの許容最大レベルを特定し、ソリトンの安定性を維持することを示している。これにより、低温および制御されたレーザーパrametersを用いる実験的条件下でも、渦巻きソリトンを維持可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

We consider the influence of optical and temperature-dependent atomic fluctuations on the formation and propagation of optical vortex solitons in dense media realized as hollow-core optical fibers filled with a cold atomic gas in presence of optical pumping. We show different perturbation-induced scenaria of complete destruction and smooth transformations of the topological characteristics of localized optical structures in hollow-core fiber. The maximum levels of optical and atomic fluctuations at which the soliton regime can be maintained has been determined. The estimates for these levels show an opportunity to observe the optical vortex solitions in the core-filling gas of the fiber for temperatures smaller than the critical temperature for Bose-Einstein condensate.

研究の動機と目的

• 密度の高い冷たい原子系における光学的渦巻きソリトンの形成および伝搬に及ぼす光学的および温度依存の原子揺らぎの影響を分析すること。
• ソリトン領域が安定を保つための、ポンプ強度およびプローブ波長における揺らぎの最大レベルを特定すること。
• 特にボーズ＝アインシュタイン凝縮の臨界温度未満における状態で、ホロウコアファイバに冷たい原子ガスを充填した系において、渦巻きソリトンを観測可能かどうかを評価すること。
• 高密度原子系におけるソリトンダイナミクスを変化させる近似双極子双極子（NDD）相互作用および局所場効果の役割を評価すること。
• 渦巻きソリトンを用いた将来の光通信システムにおける、安定したソリトン伝搬を維持するための実用的ガイドラインを提供すること。

提案手法

• 光学ポンプ、非線形吸収、および局所場効果を考慮した追加項を含む非線形シュレーディンガー方程式（NLSE）の数値シミュレーション。
• ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）揺らぎモデルを用いた温度依存の原子密度揺らぎの組み込み：σ²_N = (π²/6ζ(3))N(T/T_cr)³。
• ポンプ強度およびプローブ波長の揺らぎを確率的摂動としてモデル化し、統計的安定性解析を実施。
• 非線形効果の強化およびソリトン形成の制御を目的とした、Λレベル原子系におけるラーマン領域の利用。
• 高密度原子アンサンブル（ρ ≥ 10¹⁵ cm⁻³）における強い局所場効果を補正するための近似双極子双極子（NDD）補正の組み込み。
• 原子密度変動に起因する屈折率の空間的および時間的揺らぎをシミュレートし、それらがソリトン形状および位相に与える影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷たい原子ガスで満たされたホロウコアファイバ内における渦巻きソリトンの安定的伝搬を許容する光学的および原子的揺らぎの最大レベルは何か？
• RQ2 ボーズ＝アインシュタイン凝縮の臨界温度付近における温度依存の原子揺らぎが、渦巻きソリトンの位相的安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 近似双極子双極子（NDD）相互作用および局所場効果が、高密度原子系におけるソリトンダイナミクスをどの程度変化させるか？
• RQ4 ポンプ強度およびプローブ波長における小さな振幅の摂動下でも、渦巻きソリトンは安定に保たれるか？その臨界閾値は何か？
• RQ5 特に温度およびレーザーパrametersを含めた実験的観測が可能な実用的条件は何か？

主な発見

• BEC状態における温度 T = T_cr での相対的密度揺らぎの許容最大値は、N = 3×10⁴ 原子および ω₀ = 50 kHz の条件下で ε_ρ^max ≈ 0.68% と推定され、シミュレーションでソリトンを破壊するのを見られるノイズレベルの10分の1に相当する。
• ボーズ＝アインシュタイン凝縮の臨界温度未満（T < T_cr）である限り、光学的および原子的揺らぎ下でも渦巻きソリトン領域は安定を保つ。
• 統計的解析により、プローブ波長に2%のずれが生じてもソリトン形状が安定しており、局所的摂動は時間とともに平滑化される。
• 大規模な音響波およびポンプ場の変調で、たとえ小さな振幅であっても、ソリトン伝搬領域が急速に破壊される。
• 原子密度 ρ = 10¹⁵ cm⁻³ の系では、チャネリング効果によりファイバ内温度を 1.5×10⁻⁵ K まで低下させられ、長寿命なコherent状態が実現可能となる。
• 理論的推定により、冷たい ⁸⁷Rb ガスを充填したホロウコアファイバ内では、与えられたパラメータ下で 72 μK 未満の温度で渦巻きソリトンを実験的に観測可能であることが確認された。