Lokalisierte Strukturen - Solitonen

 
Das Phänomen der Selbstfokussierung von Licht hat innerhalb der letzten zehn Jahre sehr große Aufmerksamkeit im Bereich der Nichtlinearen Optik erregt. Während Lichtstrahlen sich bei ihrer Ausbreitung durch Beugung verbreitern, sind nichtlineare Effekte in der Lage, gerade entgegenwirkend einen Strahl zu fokussieren. Stellt sich nun eine Balance zwischen beugungsbedingter Strahlverbreiterung und nichtlinearer Selbstfokusierung ein, können sich lokalisierte Strukturen, so gennante optische Solitonen bilden, die sich durch eine unveränderte, sich selbst stabilisierende räumliche Struktur auszeichnen. Konzeptionell kann man zwischen optischen Solitonen unterscheiden, die sich A) während der Propagation durch ein nichtlineares optisches Material - z.B. einen photorefraktiven Kristall - bilden oder die sich B) aufgrund einer Rückkopplung des Lichtstrahls auf sich selber in einem nichtlinearen optischen Material, wie z.B. in einem optischen Resonator oder einem einfach rückgekoppelten System, ausbilden.
 

Propagierende Solitonen

Optische räumliche Solitonen, die zum Beipiel bei der Propagation in photorefraktiven Kristallen entstehen, zeigen verschiedene Wechselwirkungseffekte in unterschiedlichen Szenarien. Abhängig von verschiedenen Parametern dominieren dabei anziehende oder abstoßende Effekte. So können sie beispielsweise als flexible Wellenleiter eingesetzt werden, da das Licht sich selbst einen Brechungsindexkanal schreibt, in dem es dann selber geführt wird. In diesem Kanälen können nun informationstragende Laserstrahlen geleitet, ein- sowie ausgekoppelt werden. Durch Veränderungen des schreibenden Lichtes können so erzeugte Wellenleiter leicht rekonfiguriert werden.

Wechselwirkungseffekte zwischen mehreren Solitonen untereinander ermöglichen die Erzeugung lichtinduzierter zusammenführender und verzweigender Lichtstrukturen, eine Art rein optischer Schalter oder auch Wellenleiterkoppler. Die Wechselwirkung gegenläufig propagierender Solitonen zeigt durch die inhärente Rückkopplung eine dynamischen Instabilität, die auf zeitlich chaotisches Systemverhalten führt. Desweiteren ermöglicht die nichtlineare Lichtpropagation auf periodisch modulierten Brechungsindexstrukturen die Entstehung sog. Gittersolitonen. Hierbei bewirkt das komplexe Zusammenspiel von Periodizität und Nichtlinearität eine Lokalisierung der Lichtwelle innerhalb der Bandlücke des induzierten Gitters. Die genaue Untersuchung der Eigenschaften dieses neuartigen Solitonentyps auf lichtinduzierten Gittern verschiedener Symmetrie ist Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten.

Lokalisierte Strukturen in Rückkopplungsystemen

Aufgrund ihrer binären Eigenschaften können solitäre Strukturen, die in nichtlinear optischen Systemen unter optischer Rückkopplung entstehen, als natürliches Bit für eine rein optische Informationsverarbeitung aufgefasst werden. Ideen für den Einsatz reichen von der Realisierung temporärer Speicher über das Ausführen logischer Operationen hin zum optischen Schalten optischer Informationen.

Lokalisierte solitäre Strukturen entstehen in Rückkopplungssystemen, in denen sich spontan hexagonale und andere räumliche Muster ausbilden. Dazu muss das System eine zusätzliche Bistabilität aufweisen, die es erlaubt lokal zwischen einem homogenen Zustand und einem gemusterten Zustand zu schalten. Eine helle solitäre Struktur stellt dann eine Systemlösung dar, die den dunklen homogene Zustand mit einem auf einen Musterpunkt begrenzte helle Musterlösung verbindet.

Möglichkeiten zur Kontrolle solitärer Strukturen untersuchen wir anhand eines Modellsystems mit einer einfachen Rückkoppelung, das einen optisch adressierbaren Flüssigkristallmodulator als optische Nichtlinearität verwendet. Hinderlich für den möglichen Einsatz solitärer Strukturen sind ihre spontanen Wechselwirkungen, wenn diese nicht kontrolliert werden können.

Ansprechpartner: Jörg Imbrock