[논문 리뷰] Solitons and nonlinear dynamics in dual-core optical fibers

Boris A. Malomed|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 15.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 133인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 이중코어 광섬유 내에서 솔리톤 역학의 이론적 진전을 검토하며, 대칭성 깨짐, 손실성 펌프 코어 결합에 의한 소산성 솔리톤의 안정화, 균형 잡힌 증폭과 감쇠를 가진 PT 대칭 솔리톤의 안정성에 중점을 둔다. 주요 결과로는 초대칭 솔리톤에서의 초지수적 불안정성의 증명과, 결합 및 증폭/감쇠 부호의 주기적 관리에 의한 안정화를 통해 비선형·소산성 시스템에서 강력하고 장수명의 솔리톤 상태를 실현한 바 있다.

ABSTRACT

The article provides a survey of (chiefly, theoretical) results obtained for self-trapped modes (solitons) in various models of one-dimensional optical waveguides based on a pair of parallel guiding cores, which combine the linear inter-core coupling with the intrinsic cubic (Kerr) nonlinearity, anomalous group-velocity dispersion, and, possibly, intrinsic loss and gain in each core. The survey is focused on three main topics: spontaneous breaking of the inter-core symmetry and the formation of asymmetric temporal solitons in dual-core fibers; stabilization of dissipative temporal solitons (essentially, in the model of a fiber laser) by a lossy core parallel-coupled to the main one, which carries the linear gain; and stability conditions for PT (parity-time)-symmetric solitons in the dual-core nonlinear dispersive coupler with mutually balanced linear gain and loss applied to the two cores.

연구 동기 및 목표

• 동일한 코어와 삼차 비선형성을 가진 이중코어 섬유에서 자발적 대칭성 깨짐으로 인한 비대칭 시간 솔리톤의 형성과 안정성 분석.
• 활성(증폭) 코어를 손실성 평행 코어와 결합시켜 섬유 레이저 내 소산성 솔리톤을 안정화시키는 방법 탐구.
• 두 코어 간 선형 증폭과 감쇠가 균형을 이루는 조건에서 PT 대칭 솔리톤이 안정성을 유지할 수 있는 조건 규명.
• 이중코어 시스템의 전광학적 신호 처리 잠재력 탐색, 스위칭, 압축, 논리 연산 포함.
• 다중코어 및 2차원 시공간 시스템으로의 솔리톤 역학 확장에 있어 남아 있는 이론적 및 실험적 과제 규명.

제안 방법

• 선형 상호코어 결합, 킬러 비선형성, 이방성 군속도 분산 및 선택적 손실/증폭 항을 포함한 연립 비선형 슈뢰딩거 방정식(NLSEs)을 사용한 이중코어 섬유 모델링.
• 솔리톤 존재성과 안정성 예측을 위한 변분 근사(VA) 및 선형 안정성 분석, 불안정성 탐지에 대한 영모드 공진 분석 포함.
• 연립 복소 기니스부르크-랜더-에이들러 방정식(CGLEs)의 직접 수치 시뮬레이션을 통해 이론적 예측의 솔리톤 역학 및 불안정성 성장에 대한 검증.
• 상호코어 결합 및 증폭/감쇠 계수의 부호를 +1과 -1 사이에서 번갈아가며 바꾸는 주기적 관리 기법 도입으로 초지수적 불안정성 억제.
• 두 코어에서 동일한 증폭 및 감쇠 강도를 확보하여 PT 대칭 시스템으로의 분석 확장, 등장성-시간 대칭 유지.
• 시공간 역학을 갖는 2차원 이중코어 평판파이프웨이브에서의 시공간 솔리톤 해 분석, 빛 홀과 비틀림형 구조 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 코어를 가진 이중코어 섬유에서 자발적 대칭성 깨짐이 비대칭 시간 솔리톤 형성에 기여하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 활성 코어를 손실성 평행 코어와 연결함으로써 섬유 레이저 내 소산성 솔리톤을 어떻게 안정화할 수 있는가?
• RQ3 균형 잡힌 선형 증폭과 감쇠를 가진 이중코어 시스템에서 PT 대칭 솔리톤의 안정 조건은 무엇인가?
• RQ4 결합 및 증폭/감쇠 부호의 주기적 관리가 기존에 불안정한 초대칭 솔리톤을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ5 2차원 이중코어 평판파이프웨이브에서 빛 홀이나 비틀림형과 같은 새로운 시공간 솔리톤 구조는 어떻게 발생하는가?

주요 결과

• 동일한 코어와 삼차 비선형성을 가진 이중코어 섬유에서 상호코어 간 전력 교환에 의해 자발적 대칭성 깨짐이 비대칭 시간 솔리톤 형성으로 이어진다.
• 활성(증폭) 코어를 평행한 손실성 코어와 연결함으로써 섬유 레이저 내 소산성 솔리톤이 안정화되어 강력하고 장수명의 펄스 전파가 가능해진다.
• 균형 잡힌 증폭과 감쇠를 가진 초대칭 솔리톤은 영모드 공진으로 인해 초지수적 불안정성을 보이며, 거리에 따라 선형적으로 증가하고 지수적으로 증가하지는 않는다.
• 상호코어 결합 및 증폭/감쇠 계수의 부호를 번갈아가며 바꾸는 주기적 관리 기법이 시뮬레이션에서 불안정성을 성공적으로 억제하고 초대칭 솔리톤을 안정화시켰다.
• 이론적 모델은 시공간 역학을 갖는 이중코어 평판파이프웨이브에서 빛 홀과 비틀림형과 같은 새로운 2차원 시공간 솔리톤의 존재를 예측한다.
• 강력한 이론적 진전에도 불구하고 이중코어 및 다중코어 시스템 내 솔리톤의 실험적 검증은 여전히 제한적이며, 유일하게 일시적인 반산점 빛 홀의 관측만 보고된 바 있다.