[论文解读] Solitons and nonlinear dynamics in dual-core optical fibers

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

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 133被引用 7

一句话总结

本文综述了双芯光纤中孤子动力学的理论进展，重点探讨对称耦合器中的对称性破缺、通过损耗泵浦芯耦合稳定耗散孤子，以及具有平衡放大与损耗的PT对称孤子的稳定性。主要成果包括：展示了超对称孤子的亚指数不稳定性，并通过周期性调节耦合系数和放大-损耗符号实现其稳定，从而在非线性、耗散系统中实现鲁棒、长寿命的孤子态。

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.

研究动机与目标

• 分析由于双芯光纤中相同芯的自发对称性破缺而形成的非对称时间孤子的形成与稳定性。
• 研究通过将有源（放大）芯与并联损耗芯耦合，实现光纤激光器中耗散孤子的稳定化。
• 确定在两芯中线性放大与损耗平衡时，PT对称孤子保持稳定的条件。
• 探索双芯系统在全光信号处理（包括开关、压缩和逻辑运算）中的潜力。
• 识别将孤子动力学扩展至多芯和二维时空系统时存在的开放性理论与实验挑战。

提出的方法

• 使用包含线性芯间耦合、克尔非线性、反常群速度色散以及可选损耗/增益项的耦合非线性薛定谔方程（NLSEs）对双芯光纤进行建模。
• 应用变分逼近（VA）和线性稳定性分析预测孤子的存在性与稳定性，包括通过零模共振分析检测不稳定性。
• 通过耦合复Ginzburg-Landau方程（CGLEs）的直接数值模拟，验证理论预测的孤子动力学与不稳定性增长行为。
• 实施周期性调控技术，将芯间耦合系数和增益-损耗系数的符号在+1与-1之间交替变换，以抑制亚指数不稳定性。
• 通过确保两芯中增益与损耗强度相等，将分析扩展至PT对称系统，以保持宇称-时间对称性。
• 分析二维双芯平面波导中的时空孤子解，包括光子弹和涡旋结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有相同芯的双芯光纤中，自发对称性破缺在何种条件下会导致非对称时间孤子的形成？
• RQ2 如何通过将有源芯与并联损耗芯耦合，实现光纤激光器中耗散孤子的稳定化？
• RQ3 在具有平衡线性增益与损耗的双芯系统中，PT对称孤子的稳定性条件是什么？
• RQ4 对周期性调控耦合系数与增益-损耗符号，能否稳定原本不稳定的超对称孤子？
• RQ5 在具有时空动力学的二维双芯平面波导中，会涌现出哪些新型时空孤子结构，如光子弹或涡旋？

主要发现

• 自发对称性破缺导致在具有相同芯和立方非线性的双芯光纤中形成非对称时间孤子，其驱动力为芯间功率交换。
• 通过将有源（增益）芯与并联损耗芯耦合，光纤激光器中的耗散孤子得以稳定，实现鲁棒、长寿命的脉冲传输。
• 具有平衡增益与损耗的超对称孤子表现出亚指数不稳定性，这是由于零模共振所致，其不稳定性随传播距离线性增长而非指数增长。
• 周期性调控——即交替改变芯间耦合系数和增益-损耗系数的符号——在模拟中成功抑制了不稳定性，实现了超对称孤子的稳定。
• 理论模型预测，在具有时空动力学的双芯平面波导中，存在新型二维时空孤子，包括光子弹和涡旋结构。
• 尽管理论进展显著，双芯和多芯系统中孤子的实验验证仍有限，目前仅报告了半离散光子弹的瞬态观测。