Solitoni optici spatiali si spatio-temporali

Date Generale

Acronim: SPASOL

Numar/ Data contract: 26/21.10.2005

Modulul: 1. Proiecte de cercetare-dezvoltare complexe

Director proiect: Prof. Dr. Valentin I. Vlad

Coordonator de proiect: Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei si a Radiatiei - INFLPR,

Parteneri: Institutul national de Fizica si Inginerie Nucleara - Horia Hulubei - IFIN HH,

               Institutul National pentru Optoelectronica - INOE2000

Rezumat

Solitonii optici spatiali si spatio-temporali formeaza un domeniu de studiu fascinant si intens al opticii neliniare din ultimii ani, in care se pot modela si numeroase probleme neliniare de fizica, chimie si biologie. Domeniul are un larg potential de utilizare in comunicatiile optice si aplicatiile in fotonica, in particular dispozitivele fotonice integrate.

Autorii propunerii au contributii importante in domeniu, publicate si citate in lucrari din revistele cele mai importante de fizica si participa la importante colaborari internationale, incluzand o Retea de Excelenta a UE.

Principalele obiective ale proiectului propus sunt:

 - obtinerea de noi cunostinte avansate in generarea si caracterizarea solitonilor spatiali si spatio-temporali in medii neliniare optic si a proceselor neliniare implicate, care vor continua si consolida recunoasterea nostra internationala in domeniu;

- studiul si realizarea unor ghiduri de unda solitonice cu profil optim pentru propagarea fasciculelor laser;

- studiul unor matrici de solitoni spatiali si al functionalitatilor fotonice ale acestora;

- realizarea unei platforme experimentale pentru studiul solitonilor spatiali, a materialelor neliniare si dispozitivelor fotonice bazate pe utilizarea solitonilor spatiali si spatio-temporali.

Proiectul propune noi modalitati de generare si caracterizare a solitonilor spatiali si spatio-temporali, adica noi modalitati de ghidare a luminii prin lumina si noi surse de “biti” optici cu maxima compactizare spatio-temporala .

Dintre toate modurile de obtinere a ghidurilor de unda, ghidurile solitonice reprezinta cea mai buna cale de a inscrie interconexiuni optice monomod. Ghidarea luminii prin lumina are drept consecinta optimizarea profilului ghidului solitonic pentru cea mai buna propagare a unui alt fascicul laser, in comparatie cu tehnologiile conventionale (chimice sau foto-chimice).

Proiectul va permite continuarea cercetarilor noastre de excelenta spre rezultate care sa permita strapungeri in tehnologiile societatii informationale si anume spre prelucrarea informatiei cu biti maxim confinati pana la frontierele permise de principiile de baza ale fizicii.

In plus, procedurile de realizare a ghidurilor solitonice pot deveni putin costisitoare, cu o descrestere suplimentara a costurilor prin demonstrarea posibilitatii de utilizare a unor surse de lumina ieftine, cum ar fi diodele laser sau LED-urile. Acesta este un alt punct forte al proiectului: rezultate care pot optimiza tehnologii de producere, cu preturi mici, a dispozitivelor fotonice, care concorda cu un obiectiv al PC 6 si 7 ale UE.

Aceste dispozitive pot rezolva probleme practice importante: interconexiuni adaptive ultra-rapide, ce pot fi inscrise sau sterse la cerere, cuplari intre matricile de diode si de fibre optice, memorii optice in fibre si ghiduri de unde, noi tipuri de cristale fotonice etc.

Consideram ca acest proiect poate concentra o forta principala (task force) in Romania pentru atingerea unor obiective stiintifice inalte in optica neliniara si informationala, care vor spori experienta noastra, numarul de tineri cercetatori cu o serioasa educatie stiintifica si vizibilitatea internationala a stiintei din Romania, atat in Programele Cadru de cercetare si dezvoltare tehnologica ale Uniunii Europene, cat si la impactul ei în lume.

Obiective

Ne propunem urmatoarele obiective, care se incadreaza in cercetarile avansate in stiintele exacte, promovate ca prioritati atat in programul CEEX,  in Programul Cadru 6 al UE (in care participam in Reteaua de Excelenta "PHOREMOST" - Nanofotonica si in actiunile COST P8 si P11):

Obiectivul 1 – Obtinerea de noi cunostinte avansate in domeniul generarii si caracterizarii solitonilor spatiali si spatio-temporali in medii neliniare optic si a proceselor neliniare implicate, cu rezultate publicate in reviste internationale cu factor de impact inalt.

Obiectivul 2 – Concentrarea si completarea mijloacelor pentru realizarea unei platforme experimentale pentru studiul solitonilor spatiali, care sa permita investigarea sistematica a proceselor, materialelor neliniare si dispozitivelor fotonice bazate pe utilizarea solitonilor spatiali si spatio-temporali.

Aceste obiective sunt conforme cu obiectivele generale si specifice ale programului CEEX – Proiecte de cercetare-dezvoltare complexe:

-          creşterea capacităţii sistemului CDI  din România de a acumula cunoştinţe, rezultate şi experienţă de prim rang în domenii ştiinţifice şi tehnologice de vârf şi de a le difuza şi transfera către mediul economic şi social intern pentru creşterea competitivităţii acestuia;

-          concentrarea şi valorificarea optimă a potenţialului ştiinţific şi tehnologic de înalt nivel existent în România;

-          promovarea participării unităţilor şi instituţiilor de cercetare-dezvoltare din România la programele europene şi internaţionale de cercetare şi racordarea la aria europeană de cercetare, inclusiv integrarea în platformele tehnologice la nivel european;

-          sprijinirea formării, dezvoltarea, integrarea şi consolidarea în domeniile vizate a unor reţele de cercetare a căror activitate atinge nivelul de excelenţă, recunoscut conform normelor internaţionale;

-     creşterea capacităţii României de a asigura parteneri performanţi în programele de colaborare ştiinţifică.

Proiectul a avut ca rezultate obtinerea de noi cunostinte avansate in generarea si caracterizarea solitonilor spatiali si spatio-temporali in medii neliniare optic si a proceselor neliniare implicate, a ghidurilor de unda solitonice si proprietatilor acestora. 

Aceste rezultate sunt prezentate sintetic in continuare.

• Construirea si rezolvarea analitica a ecuatiilor de propagare in cristale fotorefractive cu birefringenta neliniara, absorbtie si activitate optica mare. Solutiile arata existenta solitonilor spatiali, in orientarile uzuale, in prezenta campului electric extern. Ele permit calculul parametrilor Stokes (starile de polarizare ale solitonului) pentru diferite orientari ale cristalului, in functie de distanta de propagare, de raportul dintre intensitatea solitonului si intensitatea de fond si de campul electric extern. Evolutia polarizarii solitonilor fotorefractivi este complexa si ajunge la cicluri relativ stabile la lungimi obisnuite ale cristalului, la campuri electrice externe mari si la rapoarte dintre intensitatea solitonului si intensitatea de fond foarte mici sau foarte mari. Rezultatele noastre experimentale si numerice sunt in buna concordanta cu cele teoretice.

• Solitonii optici luminosi deschid o tehnologie performanta, complet optica, pentru scrierea de ghiduri de unda solitonice (GUS) in interiorul materialelor optice neliniare folosite uzual in fotonica, asa cum este niobatul de litiu (NL). GUS in NL sunt caracterizate de o adaptare optima a profilului lor de indice de refractie la profilul laser fundamental si deschid posibilitatea obtinerii unor GUS cu timp de viata lung, a stergerii, a fixarii, precum si a multiplexarii lor in volumul cristalului (3D). S-au creat GUS in cristale de NL nedopat folosind laseri in unda continua, cu lungimi de unda in domeniul spectral verde, cu putere mica si folosind laseri cu impulsuri de fs, cu rata mare de repetitie, in domeniul spectral infrarosu apropiat (800 nm), asistati de un fond verde si un camp electric extern. Formarea GUS s-a observat dupa acumularea unui numar mare de impulsuri, deoarece timpul caracteristic fotorefractiv de crestere este mult mai lung decat perioada impulsurilor. Iluminarea de fond scade drumul liber mediu al purtatorilor liberi, facand ca efectul de ecranare sa domine efectul fotovoltaic. S-a testat propagarea ghidata a luminii in GUS pe o distanta de cca. 15 lungimi de difractie. S-au inscris retele (siruri) de GUS in NL, folosind efectul de ecranare si efectul fotovoltaic, cu un profil transversal controlabil functie de timpul de inscriere si o durata de viata lunga. S-a testat influenta reciproca a unor GUS paralele, inscrise la distante de 100 μm intre ele, asupra capacitatii lor de ghidare a luminii. La aceasta distanta intre ghidurile solitonice, inscrierea de noi ghiduri in cristal practic nu afecteaza ghidarea luminii in ghidurile inscrise anterior. GUS prezinta atat un profil transversal controlabil prin timpul de inscriere, cat si un timp de viata lung si o dispersie mica pentru pulsuri ultrascurte. GUS si matricile de GUS pot fi folosite in interconectari optice reconfigurabile eficiente.

• Modelarea analitica a propagarii campului optic, determinarea conditiilor de existenta a solitonilor spatiali in cristale fotorefractive cu efect fotovoltaic si de obtinere a solitonilor spatiali de ecranare-fotovoltaici, care evidentiaza posibilitatea schimbarii tipului (profilului) acestor solitoni spatiali, luminos/intunecat, in functie de alegerea campului electric aplicat extern in raport cu campul intern fotovoltaic.

• Studiul efectului fotorefractiv stimulat de pulsuri de femtosecunde din domeniul spectral infrarosu (IR) apropiat, de intensitate mica, in NL nedopat. Aplicarea unei tensiuni externe conduce la un efect de autofocalizare care confineaza fasciculul. Demonstrarea mecanismului de confinare produs de armonica a doua a pulsurilor IR de fs de intensitate mica, generata in conditii de neadaptare de faza in NL. Aceste rezultate ofera o metoda de extindere catre IR a efectului fotorefractiv produs de pulsuri de fs in cristale fotorefractive cu efect neliniar patratic, cum este NL, fara a fi necesara adaptarea de faza la generarea armonicii a doua, sau intensitati mari de varf ale pulsurilor. Analiza efectul dispersiei de material si de ghid asupra propagarii pulsurilor laser de femtosecunde prin ghiduri de unda solitonice induse in NL. Datorita profilului de indice de refractie al solitonului spatial, dispersia de ghid introdusa de un astfel de GUS este neglijabila in comparatie cu dispersia de material, la lungimi de unda din spectrul vizibil si din benzile de comunicatii din IR. Domeniul spectral IR apropiat prezinta si avantajul unei dispersii de material mult mai mici decat domeniul vizibil.

• Modelarea propagarii fasciculelor laser in retelele periodice de solitoni spatiali indusi in cristale fotorefractive pentru a gasi benzile permise si interzise ale cristalului fotonic format de reteaua de solitoni spatiali.

• Studiul conditiilor de generare ale solitonilor optici spatiali in medii fotorefractive cu indicele de refractie periodic.

• Modelarea si studiul stabilitatii solitonilor multidimensionali (spatiotemporali) confinati de retele optice radial simetrice de tip Bessel. S-a determinat Hamiltonianul sistemului dinamic si dependenta lui de valoarea energiei totale a solitonului. S-a identificat domeniul de stabilitate in spatiul parametrilor a solitonilor multidimensionali confinati de laticile optice de tip Bessel. S-a pus in evidenta fenomenul de colaps a solitonilor multidimensionali  pentru energii suficient de mari, precum si posibilitatea excitarii solitonilor multidimensionali stabili la propagare dintr-un input spatiotemporal de tip Gaussian. S-a identificat o bifurcatie de tip "coada de randunica", un concept fizico-matematic ce apare destul de rar in problemele fizice concrete.

• Modelarea matematica si studiul stabilitatii solitonilor spatiali cu vorticitate ”ascunsa”, care constau din doua componente cuplate incoerent avand sarcini topologice diferite,  care se formeaza in  medii neliniare saturabile. S-a determinat dependenta formei spatiale a solitonilor de parametrul de control in experiment, si anume, numarul de unda neliniar al solitonului care este legat biunivoc de puterea solitonului. S-a identificat domeniul de stabilitate al solitonilor spatiali care constituie o familie uniparametrica determinata de numarul de unda neliniar al solitonului. S-a stabilit ca solitonii sunt linear stabili daca parametrul familiei uniparametrice (respectiv numarul de unda neliniar al solitonului) este mai mare decat un anumit prag. S-a pus in evidenta faptul ca acesti solitoni spatiali cu sarcina topologica neta egala cu zero sunt extrem de robusti la propagare in prezenta unor perturbatii la input de tip ”zgomot alb”, daca puterea totala depaseste un anumit prag. S-a estimat acest prag ca fiind de ordinul a cateva sute de mW pentru cristale fotorefractive tipice.

• Studiul conditiilor de existenta si stabilitate a solitonilor spatio-temporali fundamentali (cu vorticitate nula) si cu vorticitate nenula (S=1) in  medii neliniare nelocale folosind atat metode numerice de propagare de tip Crank-Nicholson, specifice pentru problema dinamica de tip parabolic, cat si calculul ratei de crestere a instabilitatilor folosind metoda Lyapunov de liniarizare in jurul solutiilor solitonice stationare. S-a dezvoltat un cod de calcul performant folosind schema numerica cu diferente finite de tip Crank-Nicholson pentru problema de propagare a solitonilor optici spatiali in medii neliniare nelocale. S-a monitorizat propagarea sub actiunea unor perturbatii la input atat a solutiilor stationare cat si a unor fascicole incidente de forma Gaussiana si a fost studiata instabilitatea azimutala a solitonilor tridimensionali cu vorticitate nenula. Rezultatele originale obtinute se pot aplica, de asemenea, la studiul generarii solitonilor tridimensionali in condensatul atomic Bose-Einstein de tip atractiv.

• Identificarea domeniilor de existenta si stabilitate in spatiul parametrilor pentru solitonii optici spatio-temporali fundamentali (fara vorticitate) in medii neliniare cu neliniaritati arbitrare (de tip patratic-cubic, de tip saturabil, cu neliniaritati nelocale, etc.).

• Calculul dependentei numarului de unda neliniar (constantei de propagare) de energia solitonilor care constituie relatia neliniara de dispersie, precum si calculul dependentei Hamiltonianului sistemului dinamic de norma (energia) solitonilor.

• Demonstrarea existenta unei bifurcatii generice de tip “swallowtail” atat in studiul stabilitatii solitonilor spatio-temporali in medii optice neliniare, cat si in studiul solitonilor tridimensionali in condensatul Bose-Einstein de tip atractiv confinat de latici optice. Acesta bifurcatie generica conduce la aparitia a doua puncte cuspidale ce separa domeniul de stabilitate a solitonilor de domeniile de instabilitate (de regula au fost identificate doua domenii de instabilitate).