Il vortice ottico gioca un ruolo sempre più importante nell'elaborazione delle informazioni ottiche. In qualità di portatore di informazioni, migliora la capacità dei canali e offre un aspetto indipendente per l'analisi, diverso dalla polarizzazione, intensità, fase, e percorso. Un nuovo grado di libertà per la codifica e la crittografia delle informazioni ottiche può essere fornito tramite l'ottica non lineare, utilizzando fasci di vortice noti come azimuton, che portano un momento angolare orbitale e possono ora essere fatti per esibire un modello di conversione reciproca noto come oscillazione di Rabi.

Un effetto quantistico intitolato a Isidor Rabi, vincitore del premio Nobel per la fisica nel 1944, L'oscillazione di Rabi denota un movimento periodico, una sorta di fluttuazione, tra due diversi livelli di energia in presenza di un campo di guida oscillatorio. L'effetto è studiato anche in fotonica, dove il campo di guida oscillatorio può essere imitato da una leggera modulazione longitudinale periodica della variazione dell'indice di rifrazione del mezzo. Fino ad ora, Le oscillazioni di Rabi sono state studiate principalmente in sistemi lineari, ma i fenomeni più interessanti tendono a comparire nel regno non lineare.

Gli azimut esibiscono una rotazione costante durante la propagazione, ma sono generalmente instabili, quindi tipicamente si disintegrano durante il processo di propagazione. Una soluzione a tale problema di instabilità si trova nella non linearità, come proposto da un gruppo di ricerca guidato da Yiqi Zhang della Xi'an Jiaotong University, che ha recentemente dimostrato guide d'onda debolmente non lineari che garantiscono la propagazione stabile degli azimutoni. Il loro rapporto è pubblicato in Fotonica avanzata .

non lineare, guida d'onda multimodale:dalla rotazione all'oscillazione

Il team ha determinato requisiti specifici per una non linearità debole:(1) le variazioni dell'indice indotte sia lineari che non lineari sono piccole rispetto all'indice di rifrazione ambientale, e (2) la variazione dell'indice non lineare indotta è molto più piccola di quella lineare. Le loro indagini teoriche hanno dimostrato che la profondità del potenziale indotto è strettamente correlata alla dimensione trasversale della guida d'onda. Ciò ha indicato che le fibre ottiche multimodali potrebbero essere utilizzate per ottenere un pozzo di energia potenziale profondo che consentirebbe anche una modulazione superficiale.

Con questi elementi in mente, Zhang e colleghi hanno sviluppato una guida d'onda debolmente non lineare che è esplicitamente multimodale. Hanno accoppiato varie modalità con diverse distribuzioni modali. Introducendo uno sfasamento e una modulazione di ampiezza in una modalità, e poi sovrapponendo l'altro, hanno ottenuto un vortice modulato azimutalmente. Grazie alla presenza di non linearità e ad una debole modulazione longitudinale periodica al potenziale, il vortice modulato azimutalmente ruota con una velocità angolare fissa durante la propagazione e mostra oscillazione Rabi (flopping) tra i due modi.

Gli autori hanno notato che la simmetria spaziale del raggio di propagazione cambierà periodicamente nel processo. Secondo la teoria della modalità accoppiata, Le oscillazioni di Rabi sono principalmente influenzate dalla forza di modulazione longitudinale e dalla simmetria spaziale degli azimutoni sovrapposti. Senza modulazione longitudinale, l'azimuton ruota con velocità costante e il suo profilo è preservato. Ma, con leggera modulazione longitudinale, Durante la propagazione si osserva la mutua conversione di azimutoni diversi:le oscillazioni di Rabi.

L'autore senior Yiqi Zhang, professore associato presso la School of Electronic Science and Engineering dell'Università di Xi'an Jiaotong, osservazioni, "Dal momento che il nostro modello supporta azimuton di ordine superiore con cariche topologiche più elevate, ci sono molte scelte per selezionare il momento angolare orbitale trasportato dai fasci di luce. Però, l'oscillazione di Rabi può avvenire solo tra azimuton con determinati profili. Ora abbiamo alcune idee su come superare questa limitazione, quindi continueremo le nostre indagini".

Varietà di vortici

Oltre alla sua promessa di migliorare l'elaborazione ottica delle informazioni, la dimostrazione delle oscillazioni di Rabi degli azimutoni contribuisce a una migliore comprensione della dinamica rotazionale dei vortici e del ruolo intrinseco della non linearità nella regolazione di tali dinamiche. Incuriosito dalla manipolazione del campo spaziale nei sistemi ottici non lineari, gli autori notano che i loro risultati sono importanti per potenziali progressi nella fotonica, ad esempio nelle guide d'onda elicoidali o negli isolanti topologici. Più in generale, le loro intuizioni possono contribuire a una migliore comprensione di fenomeni quotidiani come cicloni o tornado, o vortici che si formano sulla scia di un aereo.