Численное исследование процесса генерации групп связанных солитонов высокого порядка в полностью волоконном кольцевом эрбиевом лазере

Орехов И.О., Аверкиева У.С., Исмаил А., Янь Фэйфэй, Федоренко А.Ю., Сазонкин С.Г., Дворецкий Д.А., Денисов Л.К., Карасик В.Е.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Орехов И.О., Аверкиева У.С., Исмаил А., Янь Ф., Федоренко А.Ю., Сазонкин С.Г., Дворецкий Д.А., Денисов Л.К., Карасик В.Е. Численное исследование процесса генерации групп связанных солитонов высокого порядка в полностью волоконном кольцевом эрбиевом лазере // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 7. С. 52–61. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-52-61

Orekhov I.O., Averkieva U.S., Ismaeel A., Yan F., Fedorenko A.Yu., Sazonkin S.G., Dvoretskiy D.A., Denisov L.K., Karasik V.E. Numerical study of high-order soliton molecules generation process in an all-fiber erbium-doped ring laser [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 7. P. 52–61. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-52-61

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Процесс формирования групп связанных солитонов (солитонных молекул) высокого порядка в волоконном эрбиевом лазере с синхронизацией мод. Цель работы. Разработка математической модели, позволяющей выявить механизмы генерации групп связанных солитонов высокого порядка, а также определение влияния ключевых параметров резонатора фемтосекундного волоконного лазера на формирование устойчивых многоимпульсных состояний. Метод. Численный подход на основе связанных нелинейных уравнений Шредингера, решаемых методом фурье-расщепления с учетом нелинейности показателя преломления, насыщения усиления и влияния поляризационных эффектов. При моделировании учитывалась конфигурация полностью волоконного кольцевого эрбиевого лазера с высоконелинейным волокном в резонаторе. Основные результаты. Получено устойчивое решение уравнения Шредингера для более чем десяти связанных импульсов, что подтверждает возможность генерации солитонных молекул высокого порядка. Установлено, что главным фактором, отвечающим за расщепление исходного импульса на множество связанных солитонов, является высокое усиление активной среды, а поляризационные эффекты и фазовые задержки позволяют тонко регулировать число и временнόе разделение импульсов. Результаты согласуются с экспериментальными данными и теорией квантования энергии в фемтосекундных волоконных лазерах. Практическая значимость. Предложенная модель может быть использована для улучшения волоконных лазеров, что актуально для квантовых вычислений и оптических коммуникаций.

Ключевые слова:

фемтосекундный волоконный лазер, лазер ультракоротких импульсов, синхронизация мод, солитонные молекулы, генерация групп связанных солитонов

Благодарность:

исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 23–29–00184 «Исследование методов генерации солитонных молекул в телекоммуникационном диапазоне спектра на основе волоконных лазеров ультракоротких импульсов».

Коды OCIS: 190.0190, 200.0200, 270.0270

Список источников:

1. Манин Ю.И. Вычислимое и невычислимое. М.: Советское радио, 1980. 128 с.

Manin Yu.I. Computable and non-computable [in Russian]. Moscow: Sovetskoye radio Publ., 1980. 128 p.

2. Feynman R.P. Simulating physics with computers // Intern. J. Theoretical Phys. 1982. V. 21. № 6/7. P. 467–488. https://doi.org/10.1007/BF02650179

3. Gerck E. Algorithms for quantum computation: The derivatives of discontinuous functions // Frontiers in Mathematics. 2022. V. 11. № 68. P. 1–11. https://dji.org/10.3390/math11010068

4. Marshall K., Pooser R., Siopsis G., et. al. Repeat-until-success cubic phase gate for universal continuous-variable quantum computation // Phys. Rev. A. 2015. V. 91. № 3. P. 032321. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.91.032321

5. Pfister O. Continuous-variable quantum computing in the quantum optical frequency comb // J. Phys. B: Atomic, Molecular and Opt. Phys. 2020. V. 53. № 1. P. 012001. https://dx.doi.org/10.1088/1361-6455/ab526f

6. Menicucci N.C., Flammia S.T., Pfister O. One-way quantum computing in the optical frequency comb // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. № 13. P. 130501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.130501

7. Yang Z., Jahanbozorgi M., Jeong D., et al. A squeezed quantum microcomb on a chip // Nature Commun. 2021. V. 12. № 4781. P. 1–8. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25054-z

8. Jahanbozorgi M., Yang Z., Sun S., et al. Generation of squeezed quantum microcombs with silicon nitride integrated photonic circuits // Optica. 2023. V. 10. № 8. P. 1100–1101. https://doi.org/10.1364/OPTICA.498670

9. Malomed B.A. Bound solitons in the nonlinear Schrödinger/Ginzburg–Landau equation // Large Scale Structures in Nonlinear Phys. 1991. V. 44 № 10. P. 6954–695. https://doi.org/10.1007/3-540-54899-8_48

10. Dvoretskiy D.A., Sazonkin S.G., Kudelin I.S., et al. Multibound soliton formation in an erbium-doped ring laser with a highly nonlinear resonator // IEEE Photon. Technol. Lett. 2020. V. 32. № 1. P. 43–46. https://doi.org/10.1109/LPT.2019.2956570

11. Ma H., Huang H., Deng A. Solitons and soliton molecules in two nonlocal Alice-Bob fifth-order KdV systems // Intern. J. Theoretical Phys. 2021. V. 60. № 8. P. 3051–3062. https://doi.org/10.1007/s10773-021-04893-y

12. Orekhov I.O., Ismaeel A., Lazdovskaia U.S., et al. Soliton molecules order control and their propagation features in an anomalous dispersion optical fiber // Opt. & Laser Technol. 2024. V. 171. P. 110444. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110444

13. Li C., He J., He R., et al. Analysis of real-time spectral interference using a deep neural network to reconstruct multi-soliton dynamics in mode-locked lasers // APL Photonics. 2020. V. 5. № 11. P. 116101. https://doi.org/10.1063/5.0024836

14. Dvoretskiy D.A., Sazonkin S.G., Kudelin I.S., et al. Multibound solitons generation with a controllable number of bound states in a passive mode-locked all-fiber erbium-doped ring laser // SPIE Optics + Optoelectronics. Prague, Czech Republic. April 1–4, 2019. P. 1–8. https://doi.org/10.1117/12.2520745

15. Agrawal G.P. Nonlinear fiber optics (5th. ed.). Academic Press, 2013. 648 p.

16. Wang S., Docherty A., Marks B.S., et al. Comparison of numerical methods for modeling laser mode locking with saturable gain // JOSA B. 2013. V. 30. № 11. P. 3064–3074. https://doi.org/10.1364/JOSAB.30.003064

17. Renninger W.H., Chong A., Wise F.W. Area theorem and energy quantization for dissipative optical solitons // JOSA B. 2010. V. 27. № 10. P. 1978–1982. https://doi.org/10.1364/JOSAB.27.001978

18. Tang D.Y., Zhao L.M., Zhao B., et al. Mechanism of multisoliton formation and soliton energy quantization in passively mode-locked fiber lasers // Phys. Rev. A. 2005. V. 72. № 4. P. 043816. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.72.043816

19. Zhu Y., Sun X., Jin L., et al. Short length Lyot filter utilized in dual-wavelength and wavelength tunable mode-locked fiber laser generation // 2019 Asia Communications and Photonics Conf. (ACP). Chengdu, China. November 02–05, 2019. P. 1–3. https://doi.org/10.48550/arXiv.1912.11411

20. Binh L.N. Optical multi-bound solitons. Boca Raton: CRC Press, 2018, 567 p.