[论文解读] Topological solitons as addressable phase bits in a driven laser

Bruno Garbin, J. Javaloyes+2 more|RePEc: Research Papers in Economics|Sep 22, 2014

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 34

一句话总结

该论文首次通过延迟反馈和激发态动力学，在受驱半导体激光器中实验性且理论性地实现了作为可寻址相位比特（Φ-比特）的拓扑孤立子。该系统利用相空间的拓扑结构而非传统的非线性-色散平衡，展示了鲁棒、可独立控制的锁定局部相位态，这些相位态可被激发和消除，为相干光信息处理提供了新颖平台，具有在下一代通信系统中应用的潜力。

ABSTRACT

Optical localized states are usually defined as self-localized bistable packets of light which exist as independently controllable optical intensity pulses either in the longitudinal or transverse dimension of nonlinear optical systems. Here we provide the first experimental and analytical demonstration of the existence of longitudinal localized states which exist fundamentally in the phase of laser light. These robust and versatile phase bits can be individually nucleated and canceled in an injection-locked semiconductor laser operated in a neuron- like excitable regime and submitted to delayed feedback. The demonstration of their control opens the way to their use as phase information units in next generation coherent communication systems. We analyze our observations in terms of a generic model which confirms the topological nature of the phase bits and discloses their formal but profound analogy with Sine-Gordon solitons.

研究动机与目标

• 证明在非线性光学系统中存在根本上基于相位的局域态，与基于强度的孤立子相区别。
• 探讨拓扑结构在耗散性、受驱系统中稳定光学相位态方面的作用。
• 开发一种利用延迟反馈和相位扰动独立寻址与控制这些基于相位的孤立子的方法。
• 通过通用模型建立这些相位比特与Sine-Gordon孤立子之间的形式类比。
• 通过利用拓扑相位态的鲁棒性与可塑性，推动光学信息处理的新范式。

提出的方法

• 系统采用受相干光注入和延迟反馈的半导体激光器，在高泵浦偏置和受控失谐（约5 GHz）的激发态下运行。
• 通过由100 ps电压脉冲驱动的光纤耦合电光调制器施加相位扰动，以激发Φ-比特。
• 时间延迟反馈环路提供一种有效空间自由度，使多个独立的Φ-比特可在共动参考系中被存储和操控。
• 系统通过基于复包络延迟微分方程的通用模型进行分析，该模型捕捉了系统的基本动力学行为。
• 数值模拟采用四阶龙格-库塔方法，并结合埃尔米特插值，以四阶精度处理延迟项。
• 通过单变量算子重构和大规模特征值计算的隐式重启Arnoldi方法（IRAM），评估周期解的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在受驱光学系统中，拓扑孤立子能否作为根本上局域于相位结构的存在，而独立于强度或振幅动力学？
• RQ2 在具有延迟反馈的非线性耗散系统中，此类基于相位的局域态如何被独立激发和消除？
• RQ3 这些相位比特的鲁棒性和离散性在拓扑上的根源是什么？它们与传统耗散孤立子有何不同？
• RQ4 尽管处于受驱-耗散环境，这些相位比特在多大程度上表现出与Sine-Gordon孤立子的形式类比？
• RQ5 这些Φ-比特能否作为相干光通信系统中稳定且可寻址的信息单元？

主要发现

• 作者实验上证明了鲁棒、可独立寻址的相位比特（Φ-比特）的存在，其本质是局域于激光光相位而非强度的。
• 这些Φ-比特由相位扰动激发，可按需被消除，证明了对它们的创建与湮灭实现了完全控制。
• Φ-比特具有拓扑保护特性，在具有环形拓扑的相空间中作为稳定吸引子存在，因而具有内在鲁棒性。
• 系统的动力学由一个通用模型良好描述，该模型揭示了与Sine-Gordon孤立子的形式类比，尽管系统缺乏拉格朗日结构。
• 数值模拟证实了Φ-比特的稳定性，并表明反馈回路中的有效延迟比名义光传播时间长约12%，这是由于漂移和相速失配所致。
• 共动参考系分析揭示了多个Φ-比特的同步运动，证实了其在反馈回路中的集体稳定性和可控性。