[论文解读] Observation of Fermi-Pasta-Ulam Recurrence in an On-Chip Optical Microresonator

Chengying Bao, José A. Jaramillo-Villegas+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 1

一句话总结

本研究通过在低泵浦相位失谐和增加泵浦功率条件下产生的呼吸子孤子，在氮化硅（SiN）微谐振器中实验演示了费米-帕斯塔-乌拉姆（FPU）复发现象。基于广义Lugiato-Lefever方程的数值模拟证实了非对称的功率谱演化，揭示了受激拉曼散射破坏了光谱对称性，从而实现了FPU复发的观测，确立了微谐振器作为研究孤子动力学的平台。

ABSTRACT

We present, experimentally and numerically, the observation of Fermi-Pasta-Ulam recurrence induced by breather solitons in a high-Q SiN microresonator. Breather solitons can be excited by increasing the pump power at a relatively small pump phase detuning in microresonators. Out of phase power evolution is observed for groups of comb lines around the center of the spectrum compared to groups of lines in the spectral wings. The evolution of the power spectrum is not symmetric with respect to the spectrum center. Numerical simulations based on the generalized Lugiato-Lefever equation are in good agreement with the experimental results and unveil the role of stimulated Raman scattering in the symmetry breaking of the power spectrum evolution. Our results shows that optical microresonators can be exploited as a powerful platform for the exploration of soliton dynamics.

研究动机与目标

• 研究集成光学微谐振器中费米-帕斯塔-乌拉姆复发的出现机制。
• 理解非线性效应（特别是受激拉曼散射）在孤子动力学过程中破坏光谱对称性的作用。
• 证明高Q值SiN微谐振器可作为研究复杂孤子行为（如FPU复发）的平台。
• 通过基于广义Lugiato-Lefever方程的数值模拟验证实验观测结果。

提出的方法

• 在小泵浦相位失谐条件下，通过增加泵浦功率激发高Q值SiN微谐振器中的呼吸子孤子。
• 测量光学频率梳的时间与光谱演化，重点关注不同光谱区域的功率动态。
• 使用广义Lugiato-Lefever方程对系统进行数值模拟，以模拟光场的时空演化。
• 分析功率谱演化，检测中心与光谱边带谱线之间的非对称行为。
• 比较实验与模拟结果，识别受激拉曼散射对光谱对称性破缺的影响。
• 利用光谱相位与强度测量，表征呼吸子孤子的复发动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在片上光学微谐振器中实验观测到费米-帕斯塔-乌拉姆复发？
• RQ2 微谐振器频率梳中，光谱中心与边带谱线之间的功率谱线非对称演化是由什么引起的？
• RQ3 受激拉曼散射在孤子动力学过程中如何导致光谱对称性破缺？
• RQ4 基于广义Lugiato-Lefever方程的数值模拟在多大程度上复现了FPU复发的实验观测？
• RQ5 SiN微谐振器中的呼吸子孤子能否作为观测非线性复发现象的稳定平台？

主要发现

• 通过呼吸子孤子的动力学，在高Q值SiN微谐振器中实验观测到了费米-帕斯塔-乌拉姆复发。
• 在光谱中心附近的谱线与光谱边带谱线之间观测到反相位的功率演化，表明存在非对称光谱行为。
• 基于广义Lugiato-Lefever方程的数值模拟与实验数据高度一致。
• 受激拉曼散射被确定为导致功率演化中光谱对称性破缺的关键机制。
• 结果表明，集成微谐振器可作为研究复杂非线性光学现象（如孤子复发）的可扩展平台。
• 在低泵浦相位失谐条件下，系统支持稳定的呼吸子孤子形成，从而无需外部调制即可实现FPU复发的观测。