Automatische Erzeugung von Solitonen durch negative thermo-optische Effekte.

Der optische Frequenzkamm, der 1999 von Hänsch et al. eingeführt wurde, hat sich als "Lichtmessgerät" mit einem kammförmigen Spektrum durchgesetzt, das präzise optische Frequenzmessungen ermöglicht. Diese Technologie wurde 2005 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet und 2009 als nationaler Standard für die Länge in Japan eingeführt. In den letzten Jahren wurde intensiv an optischen Carcoms geforscht, bei denen der Generator (Resonator) des optischen Frequenzkamms bis in den Mikrobereich miniaturisiert und energiesparend ist. Der stabilste Zustand eines optischen Autokamms wird als optisches Soliton bezeichnet, und frühere Forschungen haben gezeigt, dass dieser Zustand durch eine geeignete Änderung der Wellenlänge des Eingangslichts im Verhältnis zur Resonanzwellenlänge erreicht werden kann. Trotz der Tatsache, dass die Resonanzwellenlänge von der durch Absorption und andere Faktoren bei der eigentlichen Erzeugung des optischen Kercombs erzeugten Wärme beeinflusst wird (thermooptischer Effekt), gibt es nur wenige Studien, die die Auswirkungen der Wärme berücksichtigen.

In dieser Studie wurde ein neues Berechnungsmodell entwickelt, um thermische Effekte zu berücksichtigen, und insbesondere wurde eine Methode zur Erzeugung optischer Solitonen unter Verwendung negativer thermo-optischer Effekte rechnerisch demonstriert, die bisher nicht berücksichtigt worden war.

Abb. 2(a) zeigt eine CaF₂Die Berechnungsergebnisse werden gezeigt, wenn ein Resonator als Modell verwendet wird. Abb. 2(a) zeigt, dass die Lichtintensität nach einem Lichteinfall bei 0 ms schnell ansteigt, dann abnimmt und in einen stabilen Zustand übergeht. Abb. 2(b,c) zeigt die zeitliche Wellenform und das optische Spektrum des Lichts im Resonator in diesem stabilen Endzustand. Dieses Ergebnis zeigt, dass im Resonator steile Pulse (optische Solitonen) erzeugt werden und das Spektrum eine saubere Kammform aufweist. Der Mechanismus ist in Abb. 2(d) dargestellt. Wenn eine Wellenlänge in der Nähe der Resonanzwellenlänge eingegeben wird, wird das Licht im Resonator eingeschlossen und seine Intensität nimmt schnell zu. Dadurch verschiebt sich die Resonanzwellenlänge aufgrund des optischen Kerr-Effekts auf die Seite der längeren Wellenlänge. Durch die Absorption des Lichts wird Wärme erzeugt, und die Resonanzwellenlänge wird aufgrund des negativen thermooptischen Effekts zur kurzwelligen Seite hin verschoben. Diese Änderung der Resonanzwellenlänge aufgrund des thermooptischen Effekts ist praktisch gleichbedeutend mit einer Änderung der Eingangswellenlänge auf die Seite der längeren Wellenlänge, was eine bekannte Methode zur Erzeugung von Solitonen ist und das Prinzip hinter der Erzeugung von Solitonen darstellt.

Diese Errungenschaft zeigt, dass Solitonen automatisch erzeugt werden können, ohne dass die Eingangswellenlänge der Lichtquelle geändert werden muss, wie dies normalerweise der Fall ist, und es wird erwartet, dass dies eine der einfacheren und praktischeren Methoden zur Erzeugung optischer Carcoms sein wird.