We experimentally demonstrate all-optical vortex switching in nonlinear coupled waveguide arrays optically induced in photorefractive media. Our technique is based on multiplexing of nondiffracting Bessel beams to induce various types of waveguide configurations. Using double- and quadruple-well potentials, we demonstrate precise control over the coupling strength between waveguides, the linear and nonlinear dynamics and symmetry-breaking bifurcations of guided light, and a power-controlled optical vortex switch.

1.
S. M.
Jensen
,
IEEE J. Quantum Electron.
18
,
1580
(
1982
).
2.
J. D.
Joannopoulos
,
S. G.
Johnson
,
J. N.
Winn
, and
R. D.
Meade
,
Photonic Crystals: Molding the Flow of Light
, 2nd ed. (
Princeton University Press
,
2008
).
3.
D. N.
Christodoulides
,
F.
Lederer
, and
Y.
Silberberg
,
Nature
424
,
817
(
2003
).
4.
F.
Lederer
,
G. I.
Stegeman
,
D. N.
Christodoulides
,
G.
Assanto
,
M.
Segev
, and
Y.
Silberberg
,
Phys. Rep.
463
,
1
(
2008
).
5.
P.
Millar
,
J. S.
Aitchison
,
J. U.
Kang
,
G. I.
Stegeman
,
A.
Villeneuve
,
G. T.
Kennedy
, and
W.
Sibbett
,
J. Opt. Soc. Am. B
14
,
3224
(
1997
).
6.
H. S.
Eisenberg
,
Y.
Silberberg
,
R.
Morandotti
,
A. R.
Boyd
, and
J. S.
Aitchison
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
3383
(
1998
).
7.
K. M.
Davis
,
K.
Miura
,
N.
Sugimoto
, and
K.
Hirao
,
Opt. Lett.
21
,
1729
(
1996
).
8.
A.
Szameit
,
D.
Blömer
,
J.
Burghoff
,
T.
Schreiber
,
T.
Pertsch
,
S.
Nolte
,
A.
Tünnermann
, and
F.
Lederer
,
Opt. Express
13
,
10552
(
2005
).
9.
A.
Szameit
,
J.
Burghoff
,
T.
Pertsch
,
S.
Nolte
,
A.
Tünnermann
, and
F.
Lederer
,
Opt. Express
14
,
6055
(
2006
).
10.
A.
Szameit
and
S.
Nolte
,
J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys
43
,
163001
(
2010
).
11.
R.
Osellame
,
G.
Cerullo
, and
R.
Ramponi
, “
Femtosecond laser micromachining
,”
Topics in Applied Physics
, Vol.
123
(
Springer
,
Berlin
,
2012
).
12.
R.
Keil
,
M.
Heinrich
,
F.
Dreisow
,
T.
Pertsch
,
A.
Tünnermann
,
S.
Nolte
,
D. N.
Christodoulides
, and
A.
Szameit
,
Sci. Rep.
1
,
94
(
2011
).
13.
M. C.
Rechtsman
,
J. M.
Zeuner
,
Y.
Plotnik
,
Y.
Lumer
,
D.
Podolsky
,
F.
Dreisow
,
S.
Nolte
,
M.
Segev
, and
A.
Szameit
,
Nature
496
,
196
(
2013
).
14.
N. K.
Efremidis
,
S.
Sears
,
D. N.
Christodoulides
,
J. W.
Fleischer
, and
M.
Segev
,
Phys. Rev. E
66
,
046602
(
2002
).
15.
J. W.
Fleischer
,
G.
Bartal
,
O.
Cohen
,
T.
Schwartz
,
O.
Manela
,
B.
Freedman
,
M.
Segev
,
H.
Buljan
, and
N. K.
Efremidis
,
Opt. Express
13
,
1780
(
2005
).
16.
J. W.
Fleischer
,
T.
Carmon
,
M.
Segev
,
N. K.
Efremidis
, and
D. N.
Christodoulides
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
023902
(
2003
).
17.
D. N.
Neshev
,
E.
Ostrovskaya
,
Y. S.
Kivshar
, and
W.
Krolikowski
,
Opt. Lett.
28
,
710
(
2003
).
18.
J. W.
Fleischer
,
M.
Segev
,
N. K.
Efremidis
, and
D. N.
Christodoulides
,
Nature
422
,
147
(
2003
).
19.
B.
Terhalle
,
A. S.
Desyatnikov
,
C.
Bersch
,
D.
Träger
,
L.
Tang
,
J.
Imbrock
,
Y. S.
Kivshar
, and
C.
Denz
,
Appl. Phys. B
86
,
399
(
2007
).
20.
P.
Rose
,
T.
Richter
,
B.
Terhalle
,
J.
Imbrock
,
F.
Kaiser
, and
C.
Denz
,
Appl. Phys. B
89
,
521
(
2007
).
21.
D.
Gomila
,
R.
Zambrini
, and
G.-L.
Oppo
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
253904
(
2004
).
22.
N.
Marsal
,
D.
Wolfersberger
,
M.
Sciamanna
,
G.
Montemezzani
, and
D. N.
Neshev
,
Opt. Lett.
33
,
2509
(
2008
).
23.
A. A.
Sukhorukov
,
N.
Marsal
,
A.
Minovich
,
D.
Wolfersberger
,
M.
Sciamanna
,
G.
Montemezzani
, and
D. N.
Neshev
,
Opt. Lett.
35
,
3568
(
2010
).
24.
S.
Longhi
,
Laser Photonics Rev.
3
,
243
(
2009
).
25.
H.
Trompeter
,
W.
Krolikowski
,
D.
Neshev
,
A. S.
Desyatnikov
,
A. A.
Sukhorukov
,
Y. S.
Kivshar
,
T.
Pertsch
,
U.
Peschel
, and
F.
Lederer
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
053903
(
2006
).
26.
T.
Schwartz
,
G.
Bartal
,
S.
Fishman
, and
M.
Segev
,
Nature
446
,
52
(
2007
).
27.
M. S.
Soskin
and
M. V.
Vasnetsov
,
Prog. Opt.
42
,
219
(
2001
).
28.
M. R.
Dennis
,
K.
O'Holleran
, and
M. J.
Padgett
,
Prog. Opt.
53
,
293
(
2009
).
29.
A. S.
Desyatnikov
,
Y. S.
Kivshar
, and
L.
Torner
,
Prog. Opt.
47
,
291
(
2005
).
30.
M.
Padgett
and
R.
Bowman
,
Nat. Photonics
5
,
343
(
2011
).
31.
J.
Wang
,
J.-Y.
Yang
,
I. M.
Fazal
,
N.
Ahmed
,
Y.
Yan
,
H.
Huang
,
Y.
Ren
,
Y.
Yue
,
S.
Dolinar
,
M.
Tur
, and
A. E.
Willner
,
Nat. Photonics
6
,
488
(
2012
).
32.
A.
Mair
,
A.
Vaziri
,
G.
Weihs
, and
A.
Zeilinger
,
Nature
412
,
313
(
2001
).
33.
D. N.
Neshev
,
T. J.
Alexander
,
E. A.
Ostrovskaya
,
Y. S.
Kivshar
,
H.
Martin
,
I.
Makasyuk
, and
Z.
Chen
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
123903
(
2004
).
34.
J. W.
Fleischer
,
G.
Bartal
,
O.
Cohen
,
O.
Manela
,
M.
Segev
,
J.
Hudock
, and
D. N.
Christodoulides
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
123904
(
2004
).
35.
B.
Terhalle
,
T.
Richter
,
A. S.
Desyatnikov
,
D. N.
Neshev
,
W.
Krolikowski
,
F.
Kaiser
,
C.
Denz
, and
Y. S.
Kivshar
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
013903
(
2008
).
36.
B.
Terhalle
,
T.
Richter
,
K. J. H.
Law
,
D.
Göries
,
P.
Rose
,
T. J.
Alexander
,
P. G.
Kevrekidis
,
A. S.
Desyatnikov
,
W.
Krolikowski
,
F.
Kaiser
,
C.
Denz
, and
Y. S.
Kivshar
,
Phys. Rev. A
79
,
043821
(
2009
).
37.
T. J.
Alexander
,
A. A.
Sukhorukov
, and
Y. S.
Kivshar
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
063901
(
2004
).
38.
A.
Bezryadina
,
D. N.
Neshev
,
A. S.
Desyatnikov
,
J.
Young
,
Z.
Chen
, and
Y. S.
Kivshar
,
Opt. Express
14
,
8317
(
2006
).
39.
A.
Bezryadina
,
E.
Eugenieva
, and
Z.
Chen
,
Opt. Lett.
31
,
2456
(
2006
).
40.
A. S.
Desyatnikov
,
M. R.
Dennis
, and
A.
Ferrando
,
Phys. Rev. A
83
,
063822
(
2011
).
41.
I.
Makasyuk
,
Z.
Chen
, and
J.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
223903
(
2006
).
42.
B.
Freedman
,
G.
Bartal
,
M.
Segev
,
R.
Lifshitz
,
D. N.
Christodoulides
, and
J. W.
Fleischer
,
Nature
440
,
1166
(
2006
).
43.
X.
Wang
,
A.
Bezryadina
,
Z.
Chen
,
K. G.
Makris
,
D. N.
Christodoulides
, and
G. I.
Stegeman
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
123903
(
2007
).
44.
F.
Diebel
,
P.
Rose
,
M.
Boguslawski
, and
C.
Denz
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
191101
(
2014
).
45.
X.
Wang
,
Z.
Chen
, and
P. G.
Kevrekidis
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
083904
(
2006
).
46.
R.
Fischer
,
D. N.
Neshev
,
S.
López-Aguayo
,
A. S.
Desyatnikov
,
A. A.
Sukhorukov
,
W.
Krolikowski
, and
Y. S.
Kivshar
,
J. Mater. Sci. Mater. Electron.
18
,
277
(
2007
).
47.
P.
Rose
,
B.
Terhalle
,
J.
Imbrock
, and
C.
Denz
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
41
,
224004
(
2008
).
48.
M.
Boguslawski
,
A.
Kelberer
,
P.
Rose
, and
C.
Denz
,
Opt. Express
20
,
27331
(
2012
).
49.
P. G.
Kevrekidis
,
Z.
Chen
,
B. A.
Malomed
,
D. J.
Frantzeskakis
, and
M. I.
Weinstein
,
Phys. Lett. A
340
,
275
(
2005
).
50.
G.
Theocharis
,
P. G.
Kevrekidis
,
D. J.
Frantzeskakis
, and
P.
Schmelcher
,
Phys. Rev. E
74
,
056608
(
2006
).
51.
T.
Kapitula
,
P. G.
Kevrekidis
, and
Z.
Chen
,
SIAM J. Appl. Dyn. Syst.
5
,
598
(
2006
).
52.
C.
Wang
,
G.
Theocharis
,
P. G.
Kevrekidis
,
N.
Whitaker
,
K. J. H.
Law
,
D. J.
Frantzeskakis
, and
B. A.
Malomed
,
Phys. Rev. E
80
,
046611
(
2009
).
53.
T. J.
Alexander
,
D.
Yan
, and
P. G.
Kevrekidis
,
Phys. Rev. E
88
,
062908
(
2013
).
54.
A. A.
Zozulya
and
D. Z.
Anderson
,
Phys. Rev. A
51
,
1520
(
1995
).
55.
See supplemental material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4886414 for more experimental and numerical details.
56.
J.
Zhao
,
P.
Zhang
,
D.
Deng
,
J.
Liu
,
Y.
Gao
,
I. D.
Chremmos
,
N. K.
Efremidis
,
D. N.
Christodoulides
, and
Z.
Chen
,
Opt. Lett.
38
,
498
(
2013
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.