Ukrainian Journal of Physical Optics


2024 Volume 25, Issue 5


ISSN 1609-1833 (Print)

PURE-QUARTIC STATIONARY OPTICAL BULLETS FOR (3+1)-DIMENSIONAL NONLINEAR SCHRODINGER'S EQUATION WITH FOURTH-ORDER DISPERSIVE EFFECTS AND PARABOLIC LAW OF NONLINEARITY

Abdul-Majid Wazwaz

Department of Mathematics, Saint Xavier University, Chicago, IL 60655 USA, wazwaz@sxu.edu

ABSTRACT

This work addresses a (3+1)-dimensional nonlinear Schrödinger’s equation with three fourth-order dispersive terms that usually give pure-quartic bullets. It is known that pure-quartic bullets, balanced by fourth-order dispersion and nonlinearity, differ from traditional solitons. We derive various solutions in the form of bright and dark optically modulated bullets. The solutions obtained are useful for exploring the transmission of bullets through optical nanofibers.

Keywords: optical solitons, higher-order nonlinear Schrodinger's equation, fourth-order dispersion, optical fibers

UDC: 535.32

    1. Blanco-Redondo, A., De Sterke, C. M., Sipe, J. E., Krauss, T. F., Eggleton, B. J., & Husko, C. (2016). Pure-quartic solitons. Nature Сommunications, 7(1), 10427. doi:10.1038/ncomms10427
    2. Triki, H., Pan, A., & Zhou, Q. (2023). Pure-quartic solitons in presence of weak nonlocality. Physics Letters A, 459, 128608. doi:10.1016/j.physleta.2022.128608
    3. Soltani, M., Triki, H., Azzouzi, F., Sun, Y., Biswas, A., Yıldırım, Y., Alshehri, H. M. & Zhou, Q. (2023). Pure-quartic optical solitons and modulational instability analysis with cubic-quintic nonlinearity. Chaos, Solitons & Fractals, 169, 113212. doi:10.1016/j.chaos.2023.113212
    4. Zhu, Z., Yang, S., He, C., & Lin, X. (2023). Vector pure-quartic soliton molecule fiber laser. Chaos, Solitons & Fractals, 175, 113978. doi:10.1016/j.chaos.2023.113978
    5. Wazwaz, A. M., & Xu, G. Q. (2023). Variety of optical solitons for perturbed Fokas-Lenells equation through modified exponential rational function method and other distinct schemes. Optik, 287, 171011. doi:10.1016/j.ijleo.2023.171011
    6. Osman, M. S., & Ghanbari, B. (2018). New optical solitary wave solutions of Fokas-Lenells equation in presence of perturbation terms by a novel approach. Optik, 175, 328-333. doi:10.1016/j.ijleo.2018.08.007
    7. Triki, H., & Wazwaz, A. M. (2017). New types of chirped soliton solutions for the Fokas-Lenells equation. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 27(7), 1596-1601. doi:10.1108/HFF-06-2016-0252
    8. Ding, Y., Osman, M. S., & Wazwaz, A. M. (2019). Abundant complex wave solutions for the nonautonomous Fokas-Lenells equation in presence of perturbation terms. Optik, 181, 503-513. doi:10.1016/j.ijleo.2018.12.064
    9. Hosseini, K., Hincal, E., Mirekhtiary, F., Sadri, K., Obi, O. A., Denker, A., & Mirzazadeh, M. (2023). A fourth-order nonlinear Schrödinger equation involving power law and weak nonlocality: its solitary waves and modulational instability analysis. Optik, 284, 170927. doi:10.1016/j.ijleo.2023.170927
    10. Wazwaz, A. M., & Xu, G. Q. (2020). Bright, dark and Gaussons optical solutions for fourth-order Schrödinger equations with cubic-quintic and logarithmic nonlinearities. Optik, 202, 163564. doi:10.1016/j.ijleo.2019.163564
    11. Xu, G. Q. (2011). New types of exact solutions for the fourth-order dispersive cubic-quintic nonlinear Schrödinger equation. Applied Mathematics and Computation, 217(12), 5967-5971. doi:10.1016/j.amc.2010.12.008
    12. Xu, G. Q. (2019). Painlevé analysis, lump-kink solutions and localized excitation solutions for the (3+ 1)-dimensional Boiti-Leon-Manna-Pempinelli equation. Applied Mathematics Letters, 97, 81-87. doi:10.1016/j.aml.2019.05.025
    13. Xu, G. Q., Liu, Y. P., & Cui, W. Y. (2022). Painlevé analysis, integrability property and multiwave interaction solutions for a new (4+ 1)-dimensional KdV-Calogero-Bogoyavlenkskii-Schiff equation. Applied Mathematics Letters, 132, 108184. doi:10.1016/j.aml.2022.108184
    14. Guo, C., & Guo, B. (2019). The existence of global solutions for the fourth-order nonlinear Schrödinger equations. J. Appl. Anal. Comput., 9(3), 1183-1192. doi:10.11948/2156-907X.20190095
    15. Wazwaz, A. M., Alhejaili, W., & El-Tantawy, S. A. (2022). Bright and dark envelope optical solitons for a (2+ 1)-dimensional cubic nonlinear Schrödinger equation. Optik, 265, 169525. doi:10.1016/j.ijleo.2022.169525
    16. Wazwaz, A. M., Alhejaili, W., AL-Ghamdi, A. O., & El-Tantawy, S. A. (2023). Bright and dark modulated optical solitons for a (2+ 1)-dimensional optical Schrödinger system with third-order dispersion and nonlinearity. Optik, 274, 170582. doi:10.1016/j.ijleo.2023.170582
    17. El-Tantawy, S. A., Alharbey, R. A., & Salas, A. H. (2022). Novel approximate analytical and numerical cylindrical rogue wave and breathers solutions: An application to electronegative plasma. Chaos, Solitons & Fractals, 155, 111776. doi:10.1016/j.chaos.2021.111776
    18. Biswas, A., & Khalique, C. M. (2011). Stationary solution of the nonlinear Schrödinger's equation with log law nonlinearity by Lie symmetry analysis. Waves in Random and Complex Media, 21(4), 554-558. doi:10.1080/17455030.2011.601353
    19. Khalique, C. M. (2012). Exact solutions and conservation laws of a coupled integrable dispersionless system. Filomat, 26(5), 957-964. doi:10.2298/FIL1205957K
    20. Özkan, Y. S., Yaşar, E., & Khalique, C. M. (2023). Multi-wave, breather and interaction solutions to (3+ 1) dimensional sine-Gordon equation arising in nonlinear physical sciences. Journal of Computational Science, 73, 102144. doi:10.1016/j.jocs.2023.102144
    21. Adeyemo, O. D., & Khalique, C. M. (2023). Shock waves, periodic, topological kink and singular soliton solutions of a new generalized two dimensional nonlinear wave equation of engineering physics with applications in signal processing, electromagnetism and complex media. Alexandria Engineering Journal, 73, 751-769. doi:10.1016/j.aej.2023.04.049
    22. Triki, H., Biswas, A., Zhou, Q., Moshokoa, S. P., & Belic, M. (2019). Chirped envelope optical solitons for Kaup-Newell equation. Optik, 177, 1-7. doi:10.1016/j.ijleo.2018.09.137
    23. Wazwaz, A. M., Alhejaili, W., & El-Tantawy, S. A. (2022). Bright and dark envelope optical solitons for a (2+ 1)-dimensional cubic nonlinear Schrödinger equation. Optik, 265, 169525. doi:10.1016/j.ijleo.2022.169525
    24. Hosseini, K., Hincal, E., Mirzazadeh, M., Salahshour, S., Obi, O. A., & Rabiei, F. (2023). A nonlinear Schrödinger equation including the parabolic law and its dark solitons. Optik, 273, 170363. doi:10.1016/j.ijleo.2022.170363
    25. Wazwaz, A. M. (2009). Multiple soliton solutions and multiple singular soliton solutions for (2+1)-dimensional shallow water wave equations. Physics Letters A, 373(33), 2927-2930. doi:10.1016/j.physleta.2009.06.026
    26. Wazwaz, A. M. (2010). Partial differential equations and solitary waves theory. Springer Science & Business Media. doi:10.1007/978-3-642-00251-9
    27. AWazwaz, A. M., Albalawi, W., & El-Tantawy, S. A. (2022). Optical envelope soliton solutions for coupled nonlinear Schrödinger equations applicable to high birefringence fibers. Optik, 255, 168673. doi:10.1016/j.ijleo.2022.168673
    28. Elsherbeny, A. M., Mirzazadeh, M., Arnous, A. H., Biswas, A., Yıldırım, Y., & Asiri, A. (2023). Optical bullets and domain walls with cross-spatio dispersion having parabolic law of nonlinear refractive index. Journal of Optics, 1-12. doi:10.1007/s12596-023-01398-1
    29. Elsherbeny, A. M., Mirzazadeh, M., Arnous, A. H., Biswas, A., Yildirim, Y., Dakova, A., & Asiri, A. (2023). Optical bullets and domain walls with cross spatio-dispersion and having Kudryashov's form of self-phase modulation. Contemporary Mathematics, 505-517. doi:10.37256/cm.4320233359
    30. Biswas, A. (2002). Theory of optical Bullets, Progress in Electromagnetic Research, 36, 21-59. doi:10.2528/PIER01110502
    31. Al-Ghafri, K. S., Krishnan, E. V., Khan, S., & Biswas, A. (2022). Optical bullets and their modulational instability analysis. Applied Sciences, 12(18), 9221. doi:10.3390/app12189221

    У цій роботі розглядається (3+1)-вимірне нелінійне рівняння Шредінгера з трьома дисперсійними членами четвертого порядку, яке зазвичай дає чисті квартичні кулі. Відомо, що чисті квартичні кулі, збалансовані дисперсією четвертого порядку і нелінійністю, відрізняються від традиційних солітонів. Ми отримали різні рішення у вигляді яскравих і темних оптично модульованих куль. Отримані рішення є корисними для дослідження поширення куль через оптичні нановолокна. оптичні солітони, нелінійне рівняння Шредінгера вищого порядку, дисперсія четвертого порядку, оптичні волокна

    Ключові слова: оптичні солітони, нелінійне рівняння Шредінгера вищого порядку, дисперсія четвертого порядку, оптичні волокна


© Ukrainian Journal of Physical Optics ©