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Collision de solitons dans les micro-résonateurs optiques
Les solitons des micro-résonateurs optiques sont fréquemment utilisés pour générer des peignes de fréquences, qui ont trouvé des applications dans la détection, les télécommunications et la métrologie. Aujourd'hui, les scientifiques de l'EPFL ont découvert un nouvel état de collision des solitons, qui révèle des propriétés intéressantes pouvant être utilisées à la fois dans les études fondamentales et les applications pratiques.
Les solitons sont des paquets d'ondes de type particules auto-renforcés, rendus possibles par l'équilibre entre dispersion et non-linéarité. Présents dans l'hydrodynamique, les lasers, les atomes froids et les plasmas, les solitons sont générés lorsqu'un champ laser est confiné dans un résonateur circulaire à très faible perte, ce qui produit de multiples solitons se déplaçant autour du résonateur.
Normalement, ces solitons se déplacent à la même vitesse, de sorte qu'ils se rapprochent rarement les uns des autres. Cependant, lorsque les solitons entrent en collision les uns avec les autres, ils peuvent révéler d'importantes données physiques fondamentales du système, notamment les propriétés du résonateur hôte et sa non-linéarité. Cela signifie que la démonstration et le contrôle des collisions de solitons dans les microrésonateurs optiques est un objectif majeur pour les chercheurs en dynamique non linéaire et en physique des solitons.
Publié dans la revue Physical Review X, les chercheurs du laboratoire de Tobias Kippenberg à l'EPFL ont maintenant développé une méthode nouvelle et efficace pour générer des collisions de solitons dans les microrésonateurs. L'approche utilise deux lasers pour générer deux espèces de solitons différentes - chaque espèce a une vitesse de déplacement unique - dans un résonateur cristallin en mode galerie de chuchotement.
Les chercheurs introduisent deux champs laser dans le microrésonateur, entraînant deux espèces de solitons dont la différence de vitesse peut être contrôlée de manière flexible. En conséquence, des solitons de vitesse différente entrent en collision l'un avec l'autre.
En fonction de la différence entre les vitesses des solitons, les différents solitons peuvent soit se lier les uns aux autres après la collision, soit se croiser. Comme chaque collision se produit en très peu de temps, les techniques conventionnelles ne peuvent pas résoudre les comportements individuels des solitons. Les chercheurs ont donc utilisé un train d'impulsions produit par des modulateurs à grande vitesse pour sonder les solitons. L'interférence entre les impulsions et les solitons génère des signaux électroniques qui peuvent être enregistrés et analysés, permettant aux chercheurs de comparer les résultats avec des simulations théoriques qui prédisent avec précision les observations expérimentales.
Ce phénomène montre à quel point ces solitons dans les micro-résonateurs optiques peuvent être robustes. "Lors de la collision d'un soliton, sa forme peut être considérablement déformée et son énergie présente des vibrations spectaculaires", explique Wenle Weng, le premier auteur de l'article. "Pourtant, ils peuvent survivre au fort impact de la collision, et ils peuvent s'unir ou se désolidariser les uns des autres après la collision".
L'ouvrage présente une plateforme pratique mais puissante pour étudier les interactions complexes entre solitons et la dynamique non linéaire transitoire. Mais il peut aussi aider à générer des peignes de fréquences synchronisées et des télécommunications optiques basées sur les solitons. Les mécanismes de collision et de liaison peuvent être utilisés pour construire des peignes de fréquence avec des structures non conventionnelles pour la métrologie optique, et pour améliorer la largeur de bande des peignes de fréquence en général.
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Wenle Weng, Romain Bouchand, Tobias J. Kippenberg. Formation and collision of multistability-enabled composite dissipative Kerr solitons. Physical Review X, 23 April 2020. DOI: 10.1103/PhysRevX.10.021017