[논문 리뷰] Bloch Oscillations of Driven Dissipative Solitons in a Synthetic Dimension

Nicolas Englebert, Nathan Goldman외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 20.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 케러 광학 공진기에서 구동되는 소산성 솔리톤을 이용해 합성 주파수 차원에서 블로흐 진동의 첫 실험적 관측을 수행한다. 전기광학 변조를 통해 합성 격자를 설계하고 소산성 솔리톤의 안정성을 활용하여 선형 영역을 훨씬 초월한 장수명, 고해상도의 블로흐 진동을 달성함으로써, 광학 플랫폼에서 비선형성 및 소산성을 고려한 밴드 구조를 탐색할 수 있게 되었다.

ABSTRACT

The engineering of synthetic dimensions allows for the construction of fictitious lattice structures by coupling the discrete degrees of freedom of a physical system, such as the quantized modes of an electromagnetic cavity or the internal states of an atom. This method enables the study of static and dynamical Bloch band properties in the absence of a real periodic lattice structure. So far, the vast majority of implementations have focused on linear and conservative processes, with the potentially rich physics and opportunities offered by nonlinearities and dissipation remaining largely unexplored. Here, we theoretically and experimentally investigate the complex interplay between Bloch band transport, nonlinearity, and dissipation, exploring how a synthetic dimension realised in the frequency space of a coherently-driven optical resonator influences the dynamics of nonlinear waves of the system. In particular, we observe and study nonlinear dissipative Bloch oscillations occurring along the synthetic frequency dimension, sustained by localized dissipative structures (solitons) that persist endlessly in the resonator. The unique properties of the dissipative soliton states can extend the effective size of the synthetic dimension far beyond that achieved in the linear regime, as well as enable long-lived Bloch oscillations and high-resolution probing of the underlying band structure. Besides representing the first experimental study of the interplay between Bloch oscillations and dissipative solitons, our work establishes Kerr resonators as an ideal platform for the study of nonlinear dynamics in long-scale synthetic dimensions, with promising applications in topological photonics.

연구 동기 및 목표

• 합성 차원에서 블로흐 밴드 운반, 비선형성, 소산성의 상호작용을 탐구하기 위해.
• 비선형 블로흐 진동이 소산성 시스템에서 일반적으로 불안정해지는 문제를 소산성 솔리톤을 안정적인 운반체로 활용하여 극복하기 위해.
• 솔리톤 유도 주파수 커브를 통해 선형 한계를 초월한 합성 격자의 효과적 크기를 확장하기 위해.
• 장수명 진동을 통해 비선형·소산성 시스템의 밴드 구조를 고해상도로 탐측할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 일관된 구동을 받는 광학 루프 공진기에서 전기광학 위상 변조를 통해 합성 주파수 차원을 실현하고, 자유 스펙트럴 간격의 정수배로 분리된 공진 모드 간의 이동을 유도하기 위해.
• 전기광학 변조기에서 유도된 손실을 보상하기 위해 에rbium 도핑된 섬유 확대기를 사용하여 안정된 상태 운용을 유지하기 위해.
• 소산성 솔리톤(공진기 솔리톤)을 생성하여 비선형 모드 잠금을 통해 합성 격자의 크기를 연장하는 방법을 사용하기 위해.
• EOM 주파수를 자유 스펙트럴 간격의 정수배에서 이격시켜 일정한 힘을 적용함으로써 합성 차원을 따라 제어된 운반을 유도하기 위해.
• 실시간 스펙트럼 측정을 통해 산란 푸리에 변환 기법을 사용하여 12 GHz 해상도로 솔리톤 동역학을 루프 단위로 매핑하기 위해.
• 지속적 파장 배경을 억제하고 솔리톤 신호를 정제된 감지에 적합하게 분리하기 위해 비선형 광학 루프 미러를 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 비선형성과 소산성이 존재하는 조건에서도 블로흐 진동이 유지될 수 있는가? 일반적으로 이러한 조건은 이러한 진동을 불안정하게 만든다.
• RQ2 소산성 솔리톤은 주파수 공간에서 합성 격자의 효과적 크기와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비선형·소산성 블로흐 진동을 사용하여 합성 격자의 밴드 구조를 어느 정도까지 탐측할 수 있는가?
• RQ4 구동되는 소산성 솔리톤의 합성 차원에서의 동역학은 기저의 밴드 구조의 기하학적 또는 토폴로지적 성질을 드러낼 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 소산성 솔리톤의 내재된 안정성 덕분에 합성 주파수 차원에서 장수명의 블로흐 진동을 실험적으로 관측하였다.
• 소산성 솔리톤이 생성하는 넓은 주파수 커브 덕분에 선형 영역을 훨씬 초월한 효과적 격자 크기가 확장되어 다수의 블로흐 사이클을 관측할 수 있게 되었다.
• 효과적 힘이 증가함에 따라 솔리톤 운동이 동기화 상태에서 이상적인 블로흐 진동 상태로 전이됨을 확인하여 진동 동역학의 발생을 확인하였다.
• 12 GHz 해상도의 고해상도 스펙트럼 측정을 통해 브릴루앙 존과 밴드 에너지 프로파일을 포함한 밴드 구조의 세부 정보를 탐측할 수 있었다.
• 비선형 광학 루프 미러의 사용으로 지속적 파장 배경이 효과적으로 억제되어 솔리톤 동역학의 정제된 감지가 가능해졌다.
• 실험 결과는 루가토-레파르 방정식과 단순화된 모델의 수치 시뮬레이션에 의해 지지되었으며, 관측된 진동 행동이 확인되었다.