Ekscytujący postęp w naszej optycznej podróży badawczej! Dwa lata temu nasz zespół Technologii i Systemów Światłowodowych i Kwantowych, kierowany przez prof. Ryszarda Buczyńskiego, rozpoczął przełomowy projekt dotyczący światłowodów dwurdzeniowych do przełączania w całości optycznego.

Zainspirowani zjawiskiem łamania PT-symetrycznego, wspólnie z zespołem badawczym prof. Marka Trippenbacha wycelowaliśmy (Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski), aby połączyć systemy zysków i strat w jeden bez strumienia energii netto. Ta koncepcja z 1982 roku okazała się obiecująca w różnych systemach optycznych, od struktur okresowych po lasery dużej mocy. Opiera się na możliwości połączenia dwóch systemów fizycznych, z których jeden nazywa się GAIN (z dodatnim strumieniem energii) i jeden o nazwie LOSS (z ujemnym strumieniem energii), w jeden system bez całkowitego strumienia energii.

Prace teoretyczne przewidywały taki scenariusz w kilku układach optycznych, a także eksperymentalne w strukturach okresowych, sieciach fotonicznych, półprzewodnikowych rezonatorach laserowych z podwójnym mikropierścieniem, układach plazmonicznych, a ostatnio także w laserach wielkopowierzchniowych dużej mocy.

Nasze podejście polegało na zastosowaniu dwurdzeniowych włókien z równoległymi kanałami rdzenia GAIN i LOSS. Motywacją było wykorzystanie wyników pracy doktorskiej Mattii Longobucco do stworzenia solidnego urządzenia przełączającego.
Czerpiąc inspirację z badań dr. Stępnia nad laserami fotonicznymi ze szkła fosforanowego, zaprojektowaliśmy światłowód z rdzeniami domieszkowanymi Yb i Cu.

Co więcej, rozwój konstrukcji światłowodu – a w szczególności implementacja rdzenia GAIN – czerpał inspirację z badań przeprowadzonych przez naszą grupę w Łukasiewicz – Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki. Badania te koncentrowały się na fotonicznych laserach światłowodowych ze szkła fosforanowego. Podstawowym materiałem włókna jest w rzeczywistości szkło fosforanowe w układzie tlenkowym P2O5-Al2O3-Yb2O3-BaO-ZnO-MgO-Na2O.

Oddzielone rdzenie wzmocnienia i strat są realizowane za pomocą dwóch rdzeni z domieszką Yb i Cu bazowego szkła fosforanowego. Rdzeń domieszkowany Yb obsługuje laser (korzyść) aktywność pod wzbudzeniem pompą o długości fali 1000 nm, podczas gdy domieszkowany CuO odpowiada za silne tłumienie przy tej samej długości fali.

Manuskrypt zagłębia się w wyniki symulacji ultraszybkich impulsów optycznych o długości fali 1000 nm w dwurdzeniowym światłowodzie o symetrii PT. Przewidujemy dwa stany:

Liniowa oscylacja energii impulsu między rdzeniem wzmacniającym i tracącym z silnym tłumieniem mocyaaaa
Zatrzymanie impulsu w wzbudzonym rdzeniu wzmacniającym (złamana symetria PT), z bardzo skromnym tłumieniem. Optymalne poziomy energii impulsu: 100 pJ (Pierwszy stan) i 430 pJ (Stan drugi), które są łatwe do osiągnięcia. Co więcej, długość światłowodu wynosi nieco poniżej 30 cm, co również pomaga uzyskać bardzo kompaktowe urządzenie.

Plan jest taki, aby wyprodukować światłowód w IMiF i zademonstrować eksperymentalnie łamanie PT-symetryczne. Może to utorować drogę do solidnych przełączników całkowicie optycznych, laserów światłowodowych o dużej mocy oraz zastosowań w komunikacji optycznej i sieciach.