Observación de solitones vortice individuales y múltiples en un láser

Observación de solitones vortice individuales y múltiples en un láser de
emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) con realimentación.
Maestro en Ciencias: Jesús Jiménez García
Profesor: Throsten Ackemann
SUPA and Department of Physics, University of Strathclyde, Glasgow G4 0NG, UK
Buenas tardes
Mi nombre es Jesús Jiménez García, originario de Xalapa, Veracruz. Soy egresado de la
Universidad Veracruzana, en donde cursé la licenciatura en física; y de la Benemérita
Universidad Autónoma de Puebla, en la cual realicé mis estudios de maestría en
optoelectrónica. Actualmente soy estudiante del doctorado en física de la Universidad de
Strathclyde, en Glasgow, Escocia.
Antes que nada, quiero agradecer la amable invitación que me hicieron los organizadores
de este importante “II Simposio de becarios y ex becarios CONACyT en Europa”; y que
tiene entre sus propósitos, darnos la oportunidad de compartir los avances de nuestros
proyectos de investigación y fortalecer los lazos entre la comunidad científica del
CONACYT. Tales propósitos, también nos recuerdan que representamos a uno de los
sectores de la sociedad en los cuales nuestro país ha depositado muchas de sus esperanzas
para dar un vigoroso impulso a nuestro desarrollo como nación.
A continuación, haré una breve exposición sobre el proyecto de investigación que
actualmente realizo en el Departamento de Fotónica no lineal de la Universidad de
Strathclyde, para la obtención de mi doctorado en física.
En el campo de la electrónica, los electrones controlan el flujo de otros electrones en los
transistores, los cuales permiten la creación de interruptores y elementos de
almacenamiento de memoria como los biestables (flip-flops). Las redes actuales de
comunicación óptica demandan gran cantidad de canales en paralelo intercambiando y
enrutando información entre ellos. Idealmente, en un futuro, se podrán diseñar sistemas de
alta velocidad y capacidad de manera completamente óptica, incrementando así la
velocidad y reduciendo el gasto de energía que se pierde por calor. Por lo tanto, uno de los
propósitos de la Fotónica en ciencia y tecnología para la generación y aplicaciones de la
luz, es controlar luz con luz [1].
1
Esto es posible, en cierta forma, utilizando arreglos de emisores láser micro fabricados, y
siendo estos inflexibles (fijos). Es decir, hemos modificado un laser semiconductor de
amplia apertura, de manera que, diferentes regiones de la cavidad laser pueden ser
encendidas y apagadas, de manera independiente, usando pulsos de luz.
Cada una de estas regiones representa un laser individual (menor que 10 micrómetros de
ancho), un “microlaser”, dentro de una apertura laser mucho más amplia (ver figura 1a).
Esta mantiene, por si misma, un estado auto-localizado de estructuras estables, en vez de
expandirse y desaparecer como las ondas viajando en el agua de un pozo, una vez que se
tiró una piedra dentro de él. De esta manera, hemos generado un solitón de cavidad laser o
por sus siglas en ingles (CSL), basado en lo que se conoce como solitones espaciales, que
es un concepto muy estudiado en ciencia no lineal [1-4]. Cada solitón puede ser generado y
regenerado como un bit de memoria electrónica o magnética. En un momento crucial,
también pueden ser relocalizados bajo control externo. Idealmente, muchos de ellos pueden
ser formados en paralelo en cualquier parte dentro del área activa del laser.
Actualmente mi proyecto de investigación está orientado al conocimiento de la formación
espontánea de solitones vórtices individuales y múltiples (solitones de cavidad laser en
forma de anillo), generados en un láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL),
con realimentación selectiva en frecuencia, en los que se analiza la bi-estabilidad y la
transición entre las estructuras solitónicas.
Los vórtices ópticos han recibido mucha atención debido a que forman parte de soluciones
solitónicas estables (permanecen en mismo estado bajo la influencia de perturbaciones
externas y mantiene su estructura) sistemas no lineales de auto-desenfocamiento (la luz se
expande al pasar por un medio no lineal), como la ecuación no lineal de Schoedinger y
láseres en funcionamiento libre. En medios auto-enfocables (la luz se concentra al pasar por
un medio no lineal) su comportamiento es típicamente inestable y decae a otros estados o
estructuras; sin embargo, se sabe que la realimentación y la disipación llevadas a cabo por
la cavidad, pueden disminuir los requerimientos del medio para obtener solitones estables.
La existencia de estos ha sido predicha en láseres con absorbente saturable [3]. Estos
fueron observados recientemente en láseres VCSEL acoplados [3]. Vórtices en modelos de
Ginzburg-Landaucon con auto-enfocamiento han sido predichos por otros grupos en
2
Francia [4, 5]. En este trabajo hago una breve descripción sobre su observación en VCSEL
con realimentación selectiva en frecuencia, para el cual [5] se provee un modelo muy
simplificado.
El arreglo experimental es descrito en detalle en la referencia [6] y consiste de un laser
VCSEL acoplado a una rejilla de Bragg, de volumen (VBG) a través de un sistema
telescópico, formando una cavidad externa de auto-imagen. El VCSEL tiene una apertura
circular de 200 µm y es operado a una temperatura de 39° C. Un interferómetro de MachZehnder es utilizado para hacer interferir las estructuras solitónicas, con una copia
desplazada lateralmente de las mismas, para así obtener un perfil de la fase (ver figura 1).
Figura 1. Diagrama de biestabilidad.
Observaciones
Hemos percibido que el laser empieza a emitir, abruptamente, diferentes puntos de
intensidad en la cavidad, identificados como solitones fundamentales [5]. Cuando se
incrementa la corriente, estructuras más complejas empiezan a formarse como anillos,
modulados típicamente en amplitud alrededor del perímetro, con una simetría de tres
lóbulos. La transición entre estructuras es abrupta e histerética; por ejemplo, se observa que
es bi-estable al incrementar la corriente un poco más. Otra transición abrupta da origen a
estructuras elongadas con 4 diferentes picos de intensidad y dos ceros fuera del centro.
Algunos detalles del escenario de transición dependen de la posición de los solitones en la
apertura y cambios pequeños en el alineamiento, siendo una característica común que los
solitones fundamentales evolucionan, vía multi-lobulos y anillos, a patrones más complejos
(ver figura 1).
3
Los interfereogramas obtenidos con el interferómetro de Mach-Zender prueban que las
estructuras en forma de anillo constituyen una singularidad de la fase en su centro; por
ejemplo, pueden ser vórtices localizados.
En resumen, hemos desarrollado un “solitón de cavidad laser” aplicando el concepto
fundamental de solitón espacial en un laser semiconductor, creando pequeños microláseres
que pueden ser encendidos o apagados usando pulsos de luz. También hemos encontrado
que el solitón de cavidad laser puede contener una estructura de vórtice. Un solitón
operando en modo de pulso seria un soliton en 3D o “bala óptica”, concepto elusivo en el
área de óptica no lineal, a pesar de su intensa investigación teórica y experimental. El
control de este fenómeno es de gran importancia ya que impediría su expansión en
cualquier dimensión, como lo hace generalmente la luz al propagarse. Generando balas
ópticas de una manera controlada, mientras se mantiene la biestabilidad, la flexibilidad, y
portando un momento angular debido al vórtice. La existencia de tales estados permitiría la
creación de arreglos independientes de balas ópticas con aplicaciones en almacenamiento
de información, micro fluidos y aplicaciones biológicas y médicas.
Para terminar mi exposición, debo mencionar que a la fecha he logrado avances
significativos en mi proyecto que han merecido el reconocimiento de mis maestros del
doctorado, y que han sido presentados en algunas reuniones científicas en Berlín,
Alemania; Universidad de Humboldt, en Escocia en la Universidad de Aberdeen y en la
propia universidad de Strathclyde.
Mis expectativas, respecto de mi proyecto, son altas, pues al terminar mi doctorado espero
lograr algunos resultados significativos para el desarrollo de este campo de la física óptica.
Finalmente ,Quisiera reconocer y agradecer especialmente la colaboración de Yoann
Noblet por su tiempo y apoyo durante el primer ano de mi estadía en Strathclyde,
Muchas gracias
Referencias bibliográficas
[1] N. Radwell and T. Ackemann G. Oppo and W. J. Firth., SPIE Newsroom (2009).
[2] S. V. Federov et al. IEEE J. Quant. Electron. 39, 197 (2003).
[3] P. Genevet et al. Phys. Rev. Lett.104, 223902 (2010).
[4] L. S. Crasovan et al., Phys. Rev. E 63, 016605 (2000).
[5] P. V. Paulau, et al., Opt. Exp. 18, 8859 (2010).
[6] N. Radwell and T. Ackemann, IEEE J. Quantum Electron. 45, 1388 (2009)
4