[论文解读] 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 12

一句话总结

该论文首次通过在克尔光学谐振腔中利用受驱动的耗散孤子，在合成频率维度上实验观测到布洛赫振荡。通过电光调制构建合成晶格，并利用耗散孤子的稳定性，作者实现了远超线性区域的长寿命、高分辨率布洛赫振荡，从而在光子平台上探测非线性与耗散能带结构。

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.

研究动机与目标

• 探索合成维度中布洛赫能带输运、非线性与耗散之间的相互作用。
• 通过利用耗散孤子作为稳定载波，克服耗散系统中非线性布洛赫振荡的不稳定性。
• 通过孤子诱导的频率梳，将合成晶格的有效尺寸扩展至线性极限之外。
• 通过长寿命振荡实现对非线性、耗散系统中能带结构的高分辨率探测。

提出的方法

• 通过相干驱动的光学环形谐振腔中的电光相位调制实现合成频率维度，诱导自由光谱范围整数倍间隔的腔模之间跃迁。
• 使用铒掺杂光纤放大器补偿电光调制器引入的损耗，维持稳态运行。
• 生成耗散孤子（腔内孤子），形成相干频率梳，通过非线性锁模效应扩展合成晶格尺寸。
• 通过将电光调制器频率偏离自由光谱范围的整数倍，施加恒定力，诱导沿合成维度的受控输运。
• 采用具有实时光谱采集的色散傅里叶变换，以12 GHz分辨率逐 roundtrip 映射孤子动力学。
• 使用非线性光学环镜抑制连续波背景，隔离孤子信号以实现清晰检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强非线性和耗散存在下，布洛赫振荡是否仍能持续，而这些因素通常会破坏此类振荡？
• RQ2 耗散孤子在频率空间中如何影响合成晶格的有效尺寸与稳定性？
• RQ3 在多大程度上可利用非线性、耗散布洛赫振荡探测合成晶格的能带结构？
• RQ4 在合成维度中受驱动的耗散孤子动力学能否揭示底层能带结构的几何或拓扑特性？

主要发现

• 作者实验观测到耗散孤子在合成频率维度中的长寿命布洛赫振荡，其持续性源于孤子态的内在稳定性。
• 由于耗散孤子产生的宽带频率梳，合成晶格的有效尺寸远超线性区域，实现了多个布洛赫周期的观测。
• 随着有效作用力增大，系统从同步孤子运动过渡到理想布洛赫振荡，证实了振荡动力学的出现。
• 以12 GHz分辨率实现的高分辨率光谱测量，可详细探测能带结构，包括布里渊区与能带能量分布。
• 非线性光学环镜的使用有效抑制了连续波背景，确保了孤子动力学的清晰检测。
• 实验结果得到Lugiato-Lefever方程和简化模型的数值模拟支持，确认了观测到的振荡行为。