Optical solitons in quadratic nonlinear media and applications to all-optical switching and routing devices

Abstract

Esta tesis constituye un estudio detallado y exhaustivo de las propiedades de una variedad específica de ondas ópticas solitarias. Observadas experimentalmente por primera vez en 1995, estas ondas estan formadas por un haz óptico a frecuencia fundamental y su segundo armónico que están ligados entre sí y viajan juntos en el material cuadrático; y son debidas al equilibrio entre la difracción lineal que sufre el haz al propagarse y un término no lineal de segundo orden en la susceptibilidad del medio. Las llamamos por eso solitones ópticos en medios cuadráticos o simplemente 'solitones cuadráticos'. También se les conoce como 'Solitones Multicolor' aludiendo al hecho de que requieren de haces a diferentes frecuencias para formarse.<br/>Un medio no-lineal cuadrático tiene por fuerza que ser no-centrosimétrico, lo cual es una variedad de anisotropía. Una gran parte de los materiales no-lineales cuadráticos (los que tienen mayor interés para la industria) son uniaxiales lo que significa que presentan un eje de simetría que suele llamarse eje óptico. De la dirección de un haz relativa a ese eje óptico dependen las características de la propagación del haz en el medio cuadrático no-lineal. Una consecuencia de eso en configuraciones de interés es un desvío ('walk-off') sufrido por el haz respecto a su dirección de propagación inicial al entrar en el material no-lineal.<br/>Las propiedades de los solitones cuadráticos 'caminantes' son también estudiadas en la tesis, estableciendo que existe una relación entre la potencia inyectada en el medio y el ángulo de desvío (walking angle).<br/>Una parte importante de la tesis está dedicada al estudio a través de exhaustivos experimentos numéricos del potencial de estas ondas solitarias para constituir la base de dispositivos de conmutación y encaminamiento totalmente ópticos que puedan hacer realidad la promesa de la red transparente totalmente óptica. Los experimentos han permitido identificar varias configuraciones de interés con niveles de potencia y dimensiones que permiten plantearse el diseño y construcción de dispositivos comerciales de conmutación y encaminamiento totalmente ópticos basados en solitones ópticos cuadráticos.

This thesis is a comprehensive study of the fundamental properties of a specific kind of optical spatial solitary waves. First observed experimentally in 1995, these solitary waves are formed by an optical beam at a fundamental frequency and its second harmonic which propagate together and are mutually entangled; and are due to a balanced interplay between the beams' linear diffraction and a second-order nonlinear susceptibility of the medium. They are thereby referred as 'Optical Solitons in Quadratic Nonlinear Media' or simply 'Quadratic Solitons', They are also known as 'Multicolor Solitons' recalling that they are formed by beams at different frequencies.<br/>A quadratic nonlinear media needs to be non centrosymmetric which is a special kind of anisotropy. A great deal of quadratic nonlinear materials (the most used by industry such as lithim niobate, KTP, etc.) are uniaxial meaning that they feature a symmetry axis known as 'optical axis'. The direction of propagation of an optical beam relative to that axis determines the characteristics of the beam's propagation through the quadratic nonlinear material. A main result of that in some configurations of interest is a walk-off suffered by the beam as it enters the quadratic material.<br/>The properties of the families of quadratic solitons in the presence of a linear walk-off (quadratic walking solitons) are studied as well in the thesis stating that there is a relationship between the power injected into the medium and the walking angle, suitable to applications of all-optical switching and routing.<br/>An important last part of the thesis is devoted to the study from a practical viewpoint and through extensive numerical experiments of the potential of these solitary waves as the basis of practical all-optical switches and routers which could take the all-optical transparent network to a reality. The experiments have allowed to identify several configurations of interest with power level and dimensions suited to practical applications which could allow the production of commercial all-optical switching and routing devices based on quadratic solitons.