[論文レビュー] Bloch Oscillations of Driven Dissipative Solitons in a Synthetic Dimension

Nicolas Englebert, Nathan Goldman+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、Kerr光共振器内の駆動型散逸的ソリトンを用いて、合成周波数次元におけるBloch振動の初回実験的観測を示している。電気光学的変調を用いた合成格子の設計と散逸的ソリトンの安定性を活用することで、線形領域をはるかに超える長寿命で高分解能のBloch振動を実現し、光子的プラットフォーム上で非線形的・散逸的バンド構造を精密にプローブすることが可能になった。

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.

研究の動機と目的

• 合成次元におけるBlochバンド輸送、非線形性、散逸の相乗的相互作用を調査すること。
• 散逸的ソリトンを安定なキャリアとして用いることで、散逸系における非線形Bloch振動の不安定性を克服すること。
• ソリトン駆動型周波数コンブを用いて、線形限界を超えた合成格子の有効サイズを拡大すること。
• 長寿命な振動を用いて、非線形的・散逸的系におけるバンド構造を高分解能でプローブすること。

提案手法

• コherentに駆動された光ループ共振器における電気光学的位相変調を用いて合成周波数次元を実現し、自由スペクトル範囲（FSR）の整数倍で分離されたキャビティモード間の遷移を誘導する。
• 電気光学的変調器によって導入される損失を補償するためにエrbium-dopedファイバアンプを用い、安定した定常状態を維持する。
• キャビティソリトンとしての散逸的ソリトンを生成し、非線形モードロックによって周波数コンブを形成することで、合成格子のサイズを拡張する。
• EOM周波数をFSRの整数倍からずらすことで一定の力を印加し、合成次元に沿った制御された輸送を誘導する。
• リアルタイムスペクトル取得を伴う分散的フォーリエ変換を用い、12 GHzの分解能で1ラウンドトリップごとにソリトンダイナミクスをマッピングする。
• 非線形光ループミラーを用いて連続波（cw）バックグラウンドを抑制し、ソリトン信号を明確に分離して検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い非線形性と散逸が存在する中でも、Bloch振動は維持可能か。通常、このような条件は振動を不安定化させるため。
• RQ2 散逸的ソリトンは、周波数空間における合成格子の有効サイズと安定性にどのように影響を与えるか。
• RQ3 非線形的・散逸的Bloch振動を用いて、合成格子のバンド構造をどの程度まで精密にプローブできるか。
• RQ4 駆動型散逸的ソリトンの合成次元におけるダイナミクスは、基盤となるバンド構造の幾何的またはトポロジカル性質を明らかにできるか。

主な発見

• 著者らは、ソリトン状態の内在的安定性により、合成周波数次元における散逸的ソリトンの長寿命なBloch振動を実験的に観測した。
• 散逸的ソリトンが生成する広帯域周波数コンブのおかげで、線形領域をはるかに超えた合成格子の有効サイズが拡張され、複数回のBlochサイクルの観測が可能になった。
• 有効力が増加するに従い、同期したソリトン運動から理想のBloch振動へと遷移する現象が観測され、振動的ダイナミクスの出現が確認された。
• 12 GHzの分解能を有する高分解能スペクトル測定により、ブリユアンゾーンやバンドエネルギープロファイルを含むバンド構造の詳細なプローブが可能になった。
• 非線形光ループミラーの使用により、cwバックグラウンドの効果的抑制が達成され、ソリトンダイナミクスのクリアな検出が可能になった。
• Lugiato-Lefever方程式および簡略化モデルの数値シミュレーションにより、実験的結果が裏付けられ、観測された振動的挙動が確認された。