基于Ginzburg-Landau方程的耗散光孤子动力学特性研究

The key technique of All Optical Network is the optical switch and controlling of optics. The spatical optical soltion will plays an important role in achieving the All optical controlling. Based on the complex Ginzburg-Landau equation as a dissipative system, our searches in the item mainly focus the dynamics of dissipative spatial solitons with numerical simulation. The summarized results are listed as follows: .(1) The study on the controling of interaction between dissipative soliton (collisions of soliton) with variation of relative phase of solitons, in the cubic-quintic complex Ginzburg-Landau equation without viscosity. .(2) By inducing tower-shaped or taper-shaped potentials in the two-dimensional complex Ginzburg-Landau equation with the cubic-quintic nonlinearity, we will study the novel dynamics of continuous generation of dissipative soliton..(3) In the (3+1)D complex Ginzburg-Landau equation, we numerically solve the stability vortex soliton. By also inducing the tower-shaped and taper-shaped potentials in the (3+1)D complex Ginzburg-Landau equation, we research the dynamics of vortex..This item will provides new approachs and trains of thought for studying and designing optical device of soliton based on dissipative system.

实现全光网络的关键是光开关和光控制技术。而空间光孤子在实现全光控制技术中扮演重要的角色。本项目以Ginzburg-Landau方程为基础的耗散系统为背景，研究耗散空间孤子的动力学特性以及在全光控制中的应用，主要内容包括：（1）相位调制对耗散孤子相互作用（即孤子碰撞）的研究；（2）引入塔形和锥形折射率调制下，我们首次发现了耗散空间孤子的"连续繁殖"动力学特性的物理机制研究；（3）（3+1）维Ginzburg-Landau方程中时空涡旋孤子稳定性以及折射率调制下的涡旋动力学研究。本项目为设计和探索以耗散系统为基础的孤子光学器件提供新的途径和思路

空间孤子在光学领域有许多潜在应用，如：光通信器件中的光开关，光学逻辑器件和路由器以及波色-爱因斯坦凝聚中的原子激光器等。复系数Ginzburg-Landau方程（简称CGL方程）是一个耗散系统，它作为一个非常重要的物理模型在许多科研领域有广泛应用，如：超导，超流体，流体动力学，扩散反应方程，非线性光学，波色-爱因斯坦凝聚以及量子场理论等。具有3-5阶非线性项的CGL方程存在稳定的耗散孤子波解。耗散孤子除了满足原本的非线性与衍射平衡或非线性与色散的平衡外，耗散孤子还必须达到损耗和增益的平衡。所以，基于3-5阶CGL方程的孤子具有许多有别于一般保守系统中孤子的的物理特性。本项目工作主要是用数值模拟方法研究3-5阶CGL方程中空间孤子的传输和动力学特性。主要的研究成果如下：.1) 在无扩散项的3-5阶CGL方程中，我们通过数值模拟研究相对相位变化对孤子和涡旋孤子碰撞结果的影响。依据碰撞速度不同，存在三类碰撞结构：低速，合并为一个孤子；中速，产生一个额外孤子；高速，相互穿越。研究发现，两孤子的相对相位可以在一定范围内调制第一类碰撞中合并孤子的横向速度；也可以调制第二类碰撞中额外孤子的横向速度；但是，第三类碰撞结果不受相位改变的影响。另外，通过改变三阶增益系数，发现第二类碰撞结果的碰撞速度的范围会随着三阶增益系数的减小而慢慢减小直到消失。我们通过动能量平衡方程从理论上分析耗散孤子间的相互作用。.2)在基于3-5阶非线性的Ginzburg-Landau方程的二维耗散系统中，引入反波导型结构的V型折射率调制，研究发现耗散光孤子一些奇特的非线性动力学现象：合适的折射率调制，耗散孤子会连续不断的向两边分裂出同样的耗散孤子，并且分裂的频率随着调制强度的增大而加快；折射率调制比较较弱时，耗散孤子被拉伸成椭圆形；而太强的调制强度会导致耗散孤子崩溃。本文系统分析了耗散系统中粘滞系数，以及增益和损耗系数对这些非线性动力学现象的影响，发现必须要足够的能量增益才能维持中心孤子进行连续分裂。.3）此外，我们对光子晶体、表面等离子器件和基于光子晶体光纤的表面等离子传感等研究热点也开展了探索性研究。.本项目为设计和探索以耗散系统为基础的孤子光学器件提供新的途径和思路。