O vórtice óptico desempenha um papel cada vez mais importante no processamento óptico de informações. Como portador de informações, melhora a capacidade dos canais e oferece um aspecto independente para análise - diferente da polarização, intensidade, Estágio, e caminho. Um novo grau de liberdade para codificar e criptografar informações ópticas pode ser fornecido por meio de óptica não linear, usando feixes de vórtice conhecidos como azimutes, que carregam um momento angular orbital e agora podem ser feitos para exibir um padrão de conversão mútua conhecido como oscilação de Rabi.

Um efeito quântico que leva o nome de Isidor Rabi, ganhador do Prêmio Nobel de Física de 1944, A oscilação de Rabi denota um movimento periódico - uma espécie de flop - entre dois níveis de energia diferentes na presença de um campo motriz oscilatório. O efeito também é investigado em fotônica, onde o campo de acionamento oscilatório pode ser imitado por uma ligeira modulação longitudinal periódica da mudança do índice de refração do meio. Até agora, As oscilações de Rabi têm sido estudadas principalmente em sistemas lineares, mas os fenômenos mais interessantes tendem a surgir no reino não linear.

Azimuthons exibem rotação constante após a propagação, mas eles são geralmente instáveis, portanto, eles normalmente se desintegram durante o processo de propagação. Uma solução para esse problema de instabilidade é encontrada na não linearidade, conforme proposto por uma equipe de pesquisa liderada por Yiqi Zhang da Universidade Xi'an Jiaotong, que recentemente demonstrou guias de ondas fracamente não lineares que garantem a propagação estável de azimutes. Seu relatório é publicado em Fotônica Avançada .

Não linear, guia de onda multimodal:da rotação à oscilação

A equipe determinou requisitos específicos para uma não linearidade fraca:(1) ambas as mudanças de índice induzidas linear e não linear são pequenas em comparação com o índice de refração do ambiente, e (2) a mudança do índice não linear induzida é muito menor do que a linear. Suas investigações teóricas demonstraram que a profundidade do potencial induzido está intimamente relacionada ao tamanho transversal do guia de ondas. Isso indicou que as fibras ópticas multimodo poderiam ser usadas para obter um poço de energia potencial profundo que também permitiria a modulação rasa.

Com esses elementos em mente, Zhang e colegas desenvolveram um guia de onda fracamente não linear que é explicitamente multimodo. Eles emparelharam vários modos com diferentes distribuições modais. Ao introduzir uma mudança de fase π e uma modulação de amplitude para um modo, e então superpondo o outro, eles obtiveram um vórtice modulado azimutalmente. Graças à presença de não linearidade e uma modulação longitudinalmente periódica fraca para o potencial, o vórtice modulado azimutalmente gira com uma velocidade angular fixa durante a propagação e exibe oscilação Rabi (flopping) entre os dois modos.

Os autores notaram que a simetria espacial do feixe de propagação mudará periodicamente no processo. De acordo com a teoria do modo acoplado, As oscilações de Rabi são afetadas principalmente pela força da modulação longitudinal e pela simetria espacial dos azimutes sobrepostos. Sem modulação longitudinal, o azimuthon gira com velocidade constante e seu perfil é preservado. Mas, com ligeira modulação longitudinal, conversão mútua de diferentes azimutes pode ser observada durante a propagação:as oscilações de Rabi.

Autor sênior Yiqi Zhang, professor associado da Escola de Ciência Eletrônica e Engenharia da Universidade Xi'an Jiaotong, observações, "Uma vez que nosso modelo suporta azimutes de ordem superior com cargas topológicas mais altas, há muitas opções para selecionar o momento angular orbital transportado pelos feixes de luz. Contudo, a oscilação de Rabi só pode acontecer entre azimutes com determinados perfis. Agora temos algumas ideias de como superar essa limitação, então continuaremos nossas investigações. "

Variedades de vórtices

Além de sua promessa de melhorar o processamento óptico de informações, a demonstração das oscilações Rabi dos azimutes contribui para uma melhor compreensão da dinâmica rotacional dos vórtices e do papel inerente da não linearidade na regulação dessas dinâmicas. Intrigado com a manipulação de campo espacial em sistemas ópticos não lineares, os autores observam que suas descobertas são importantes para avanços potenciais em fotônica, por exemplo, em guias de ondas helicoidais ou isoladores topológicos. Mais amplamente, seus insights podem contribuir para uma melhor compreensão de fenômenos cotidianos como ciclones ou tornados, ou vórtices se formando na esteira de um avião.