科学家打造平行光孤子反应器 可控制观察孤子分子动态

光孤子（optical solitons）是一种非线性的光波包，在传输过程中即便遇到中等强度的干扰也能保持其轮廓，因此在光通信、全光信息处理以及超快激光技术中有着广泛的应用。光孤子之间的相互作用表现出许多类似粒子的特性，几十年来已被广泛研究。

DOI: 10.1038/s41377-021-00558-x

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00558-x

在诸多研究方向中，特别值得关注的就是光孤子的非线性耗散系统。作为平衡相互作用的结果，光孤子的边界状态表现出独特的matter-light 的相似性，并以“孤子分子”（soliton molecules）为代表--紧凑的多孤子结构，作为不变的单一实体传播。

科学家对孤子分子的动力学引起了广泛的兴趣，特别是孤子分子的合成和解离，让人联想到化学反应的情况。然而，对孤子分子的研究大多依赖于不受控制的随机激发，而且长期以来一直停留在单体水平，没有探索涉及大量孤子的随机和统计特性，因此难以进行更高层次的多孤子动力学研究。

近日发表在《Light Science & Application》的最新论文中，来自德国马克斯·普朗克光科学研究所（隶属于Philip Russell 教授）的何文斌（Wenbin He，音译）和彭蒙（Meng Pang）两位教授带领下，科学团队开发了一个独特的平台，命名为“平行光孤子反应器”（parallel optical-soliton reactors）。

这套装置可以能够承载大部分孤子分子的大规模动态事件。这种平行反应器，类似于化学反应器，可以隔离和承载多个孤子，然后通过各种全光方法操纵它们的相互作用。

当数百个这样的平行反应器在精心准备的初始状态和控制技术下同时运行时，可按需合成和解离大量的孤子分子，展开一个新的多孤子动力学全景，其性质是随机的。

此外，在大规模平行反应中发现了与经典化学动力学高度相似的统计规则，这促进了传统的 matter-light analogy 进入集体层面。这些结果为孤子动力学带来了更高层次的洞察力，既有利于非线性系统的基础研究，也有利于涉及大量光学孤子的实际应用。

平行光孤子反应器是基于一个独特的光学机械晶格，该晶格是用一个光声模式锁定的光纤激光器创建的。关键部件实际上只是一小段光子晶体光纤（PCF）--一种特殊的微结构光纤，它有一个被空心通道阵列包围的微芯。

科学家表示：

基于微芯PCF的光声模式锁定光纤激光器，在我们实验室已经开发了多年，它利用了微芯PCF中增强的光声相互作用。当插入传统的锁模光纤激光器时，PCF提供了一个声学共振，通常为GHz速率，通过这个共振，数米长的光纤腔可以有效地分成数百个时隙，每个时隙对应一个声学振动周期，从而形成一个光学机械晶格。每个时隙，或“晶格单元”可以承载多个与其他时隙隔离的孤子，并可以被操纵，作为许多平行反应器发挥作用，其中的反应物是光学孤子，而不是真正的原子和分子。

这项工作的主要突破是按需控制由光机械晶格承载的每个平行反应器中的孤子相互作用。我们将这些方法分为两种类型。一种是依靠同时影响所有反应器的激光腔扰动，这被称为 "全局控制"。另一种是利用外部寻址脉冲，在选定的反应器上诱发扰动，而不影响其他反应器，这被称为 "单独控制"。相位不相关的长程孤子相互作用在这种受控相互作用中发挥了重要作用。孤子分子的可控合成和解离实际上是通过仔细的裁剪实现的。