Solton wektorowy

W optyce fizycznej lub optyce falowej soliton wektorowy to samotna fala z wieloma połączonymi ze sobą składnikami, która zachowuje swój kształt podczas propagacji. Zwykłe solitony zachowują swój kształt, ale w rzeczywistości mają tylko jeden (skalarny) składnik polaryzacji, podczas gdy solitony wektorowe mają dwa różne składniki polaryzacji. Wśród wszystkich rodzajów solitonów , optyczne solitony wektorowe przyciągają najwięcej uwagi ze względu na szeroki zakres zastosowań, szczególnie w generowaniu ultraszybkich impulsów i technologii sterowania światłem. Optyczne solitony wektorowe można podzielić na czasowe solitony wektorowe i przestrzenne solitony wektorowe. Podczas propagacji zarówno solitonów czasowych, jak i solitonów przestrzennych, pomimo przebywania w ośrodku z dwójłomnością , polaryzacje ortogonalne mogą współpropagować jako jedna jednostka bez rozszczepienia z powodu silnej modulacji międzyfazowej i spójnej wymiany energii między dwiema polaryzacjami solitonu wektorowego, co może indukować różnice intensywności między tymi dwoma polaryzacjami. Zatem solitony wektorowe nie są już spolaryzowane liniowo, ale raczej eliptycznie.

Definicja

CR Menyuk jako pierwszy wyprowadził równanie propagacji impulsu nieliniowego w światłowodzie jednomodowym (SMF) przy słabej dwójłomności. Następnie Menyuk opisał solitony wektorowe jako dwa solitony (dokładniej nazywane falami samotnymi) z ortogonalnymi polaryzacjami, które rozchodzą się razem bez rozpraszania energii i przy zachowaniu swoich kształtów. Ze względu na nieliniową interakcję między tymi dwiema polaryzacjami, pomimo istnienia dwójłomności między tymi dwoma modami polaryzacji, nadal mogły dostosować prędkość swojej grupy i zostać uwięzione razem.

Solitony wektorowe mogą być przestrzenne lub czasowe i składają się z dwóch prostopadle spolaryzowanych składowych pojedynczego pola optycznego lub dwóch pól o różnych częstotliwościach, ale tej samej polaryzacji.

Historia

W 1987 Menyuk po raz pierwszy wyprowadził nieliniowe równanie propagacji impulsu w SMF przy słabej dwójłomności. To przełomowe równanie otworzyło przed badaczami nową dziedzinę „skalarnych” solitonów. Jego równanie dotyczy nieliniowej interakcji (modulacja międzyfazowa i koherentna wymiana energii) między dwoma składowymi polaryzacji ortogonalnej solitonu wektorowego. Naukowcy uzyskali zarówno analityczne, jak i numeryczne rozwiązania tego równania przy słabej, umiarkowanej, a nawet silnej dwójłomności.

W 1988 roku Christodoulides i Joseph po raz pierwszy teoretycznie przewidzieli nową formę solitonu wektora z synchronizacją fazową w dwójłomnym ośrodku dyspersyjnym, który jest obecnie znany jako soliton wektora z synchronizacją fazową wysokiego rzędu w SMF. Ma dwie ortogonalne składowe polaryzacji o porównywalnym natężeniu. Pomimo istnienia dwójłomności, te dwie polaryzacje mogą rozprzestrzeniać się z tą samą prędkością grupową, gdy przesuwają swoje częstotliwości środkowe.

W 2000 roku Cundiff i Akhmediev odkryli, że te dwie polaryzacje mogą tworzyć nie tylko tak zwany soliton wektorowy z zablokowaną prędkością grupową, ale także soliton wektorowy z zablokowaną polaryzacją. Poinformowali, że stosunek intensywności tych dwóch polaryzacji może wynosić około 0,25–1,00.

Jednak ostatnio zaobserwowano inny typ solitonu wektorowego, „solton wektora indukowanego”. Taki soliton wektorowy jest nowatorski, ponieważ różnica natężenia między dwiema ortogonalnymi polaryzacjami jest niezwykle duża (20 dB). Wydaje się, że słabe polaryzacje zwykle nie są w stanie utworzyć składnika solitonu wektorowego. Jednak ze względu na modulację polaryzacji krzyżowej między silnymi i słabymi składnikami polaryzacji, może również powstać „słaby soliton”. Pokazuje zatem, że otrzymany soliton nie jest solitonem „skalarnym” z trybem polaryzacji liniowej, ale raczej solitonem wektorowym o dużej eliptyczności. To rozszerza zakres solitonu wektorowego, tak że stosunek natężenia między silnymi i słabymi składnikami solitonu wektorowego nie jest ograniczony do 0,25–1,0, ale może teraz sięgać 20 dB.

Opierając się na klasycznej pracy Christodoulidesa i Josepha, która dotyczy solitonu wektorowego wysokiego rzędu z synchronizacją fazową w SMF, niedawno utworzono stabilny soliton wektorowy z synchronizacją fazową wysokiego rzędu w laserze światłowodowym. Charakteryzuje się tym, że nie tylko dwa składowe solitonowe spolaryzowane ortogonalnie są zsynchronizowane fazowo, ale także jeden ze składowych ma profil intensywności z podwójnym garbem.

Poniższe rysunki pokazują, że biorąc pod uwagę dwójłomność włókna, pojedyncze nieliniowe równanie Schrödingera (NLSE) nie opisuje dynamiki solitonu, ale zamiast tego wymagane są dwa sprzężone równania NLSE. Następnie można numerycznie otrzymać solitony z dwoma trybami polaryzacji.

Why vector solitons are generated?

Widmowe wstęgi boczne FWM w solitonie wektorowym

Nowy wzór widmowych pasm bocznych został po raz pierwszy zaobserwowany eksperymentalnie na widmach solitonów polaryzacyjnych rozdzielonych polaryzacją wektorów solitonów laserów światłowodowych. Nowe pasma boczne widma charakteryzują się tym, że ich położenie w widmie solitonu zmienia się wraz z siłą dwójłomności liniowej wnęki i podczas gdy wstęga boczna jednej składowej polaryzacji ma pik widmowy, składowa ortogonalna polaryzacji ma spadek widmowy, wskazujący na wymianę energii między dwoma składowymi polaryzacji ortogonalnej solitonów wektorowych. Symulacje numeryczne potwierdziły również, że powstawanie nowych pasm bocznych widma było spowodowane przez FWM między dwoma składowymi polaryzacji.

Związany wektor soliton

Dwa sąsiadujące solitony wektorowe mogą tworzyć stan związany. W porównaniu z solitonami związanymi ze skalarem, stan polaryzacji tego solitonu jest bardziej złożony. Ze względu na interakcje krzyżowe związane solitony wektorowe mogą mieć znacznie silniejsze siły interakcji niż mogą istnieć między solitonami skalarnymi.

Wektor ciemny soliton

Ciemne solitony charakteryzują się tym, że powstają w wyniku zlokalizowanej redukcji intensywności w porównaniu z bardziej intensywnym ciągłym tłem falowym. Ciemne solitony skalarne (ciemne solitony spolaryzowane liniowo) mogą powstawać we wszystkich laserach światłowodowych o normalnej dyspersji z synchronizacją modów metodą rotacji nieliniowej polaryzacji i mogą być raczej stabilne. Ciemne solitony wektorowe są znacznie mniej stabilne ze względu na interakcję krzyżową między dwoma składnikami polaryzacji. Dlatego interesujące jest zbadanie, w jaki sposób ewoluuje stan polaryzacji tych dwóch składowych polaryzacji.

W 2009 roku z powodzeniem uzyskano pierwszy laser światłowodowy z ciemnym solitonem w laserze światłowodowym domieszkowanym erbem o całkowicie normalnej dyspersji z polaryzatorem we wnęce. Eksperymentalne stwierdzenie, że poza emisją jasnego impulsu, w odpowiednich warunkach laser światłowodowy może również emitować jeden lub wiele ciemnych impulsów. Na podstawie symulacji numerycznych interpretujemy powstawanie ciemnego impulsu w laserze w wyniku kształtowania się ciemnego solitonu.

Wektor ciemny jasny soliton

„Jasny soliton” charakteryzuje się zlokalizowanym szczytem intensywności powyżej tła fali ciągłej (CW), podczas gdy ciemny soliton jest przedstawiany jako zlokalizowany spadek intensywności poniżej tła fali ciągłej (CW). „Vector ciemny jasny soliton” oznacza, że ​​jeden stan polaryzacji jest jasnym solitonem, podczas gdy druga polaryzacja jest ciemnym solitonem. Ciemne jasne solitony wektorowe zostały zgłoszone w niespójnie sprzężonych przestrzennych DBVS w samorozogniskowanych DBVS średniej i fali materii w kondensatach dwóch gatunków z odpychającymi oddziaływaniami rozpraszającymi, ale nigdy nie zostały zweryfikowane w dziedzinie światłowodów.

Indukowany soliton wektorowy

Używając dwójłomnego lasera światłowodowego z wnęką, można utworzyć indukowany soliton wektorowy w wyniku sprzężenia krzyżowego między dwoma ortogonalnymi składowymi polaryzacji. Jeśli silny soliton powstaje wzdłuż jednej głównej osi polaryzacji, to słaby soliton będzie indukowany wzdłuż ortogonalnej osi polaryzacji. Intensywność słabego składnika w indukowanym solitonie wektorowym może być tak słaba, że ​​sama nie mogłaby utworzyć solitonu w SPM. Charakterystykę tego typu solitonu wymodelowano numerycznie i potwierdzono eksperymentalnie.

Wektor rozpraszający soliton

Wektorowy soliton rozpraszający mógłby powstać we wnęce laserowej z dodatnią dyspersją netto, a mechanizm jej powstawania jest naturalnym wynikiem wzajemnego nieliniowego oddziaływania między dyspersją normalnej wnęki, nieliniowym efektem Kerra włókna wnękowego, nasyceniem wzmocnienia lasera i filtrowaniem pasma wzmocnienia. W przypadku konwencjonalnego solitonu jest to równowaga między samą dyspersją a nieliniowością. W odróżnieniu od konwencjonalnego solitonu, soliton rozpraszający Vector jest silnie ćwierkany częstotliwościowo. Nie wiadomo, czy w laserze światłowodowym można utworzyć soliton wektora z synchronizacją fazową i ukierunkowanym wzmocnieniem: w laserze światłowodowym można utworzyć soliton wektora z rotacją polaryzacji lub dyssypacją fazową w laserze światłowodowym z dużą wypadkową prędkością grupy normalnej wnęki dyspersja. Ponadto w laserze światłowodowym z pasywną synchronizacją modów z SESAM można również utworzyć wiele solitonów rozpraszających wektory o identycznych parametrach solitonu i synchronizacji modów harmonicznych z konwencjonalnym solitonem wektorów rozpraszających.

Rozpraszający soliton o wielu długościach fal

Ostatnio wygenerowano rozpraszający soliton o wielu długościach fal w laserze światłowodowym o normalnej dyspersji z pasywną synchronizacją modów za pomocą SESAM. Stwierdzono, że w zależności od dwójłomności wnęki w laserze może powstawać stabilny soliton dyssypatywny o pojedynczej, podwójnej i potrójnej długości fali. Mechanizm jego generowania można prześledzić wstecz do natury rozpraszającego solitonu.

Rotacja polaryzacji solitonu wektorowego

W solitonach skalarnych polaryzacja wyjściowa jest zawsze liniowa ze względu na istnienie polaryzatora we wnęce. Ale w przypadku solitonów wektorowych stan polaryzacji może obracać się dowolnie, ale nadal jest zablokowany na czas podróży w obie strony wnęki lub jego całkowitą wielokrotność.

Solitony wektorowe wyższego rzędu

W solitonach wektorowych wyższego rzędu nie tylko dwa składowe solitonu spolaryzowane ortogonalnie są zsynchronizowane fazowo, ale także jeden ze składowych ma profil intensywności z podwójnym garbem. W laserach uzyskano również wiele takich solitonów wektorowych wysokiego rzędu z synchronizacją fazową z identycznymi parametrami solitonowymi i synchronizacją modów harmonicznych solitonów wektorowych. Symulacje numeryczne potwierdziły istnienie stabilnych solitonów wektorowych wysokiego rzędu w laserach światłowodowych.

Solton ściany domeny optycznej

Ostatnio soliton wektora ciemno-ciemnego z blokadą fazową obserwowano tylko w laserach światłowodowych o dyspersji dodatniej, soliton wektora ciemno-jasnego z blokadą fazową uzyskano w laserach światłowodowych o dyspersji dodatniej lub ujemnej. Symulacje numeryczne potwierdziły obserwacje eksperymentalne, a ponadto pokazały, że obserwowane solitony wektorowe to dwa typy solitonów ściany domeny polaryzacji z blokadą fazową, które teoretycznie przewidywano.

Wektorowy laser światłowodowy solitonowy z grafenem w warstwie atomowej

Z wyjątkiem konwencjonalnych półprzewodnikowych nasycalnych luster absorpcyjnych (SESAM), które wykorzystują wielokrotne studnie kwantowe półprzewodników III – V wyhodowanych na rozproszonych reflektorach Bragga (DBR), wielu badaczy zwróciło swoją uwagę na inne materiały jako absorbery nasycające. Zwłaszcza, że ​​istnieje szereg wad związanych z SESAM. Na przykład SESAM wymagają złożonych i kosztownych systemów produkcyjnych opartych na czystych pomieszczeniach, takich jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej metali organicznych (MOCVD) lub epitaksja z wiązek molekularnych (MBE), aw niektórych przypadkach potrzebny jest dodatkowy proces usuwania substratu; wymagana jest wysokoenergetyczna implantacja ciężkich jonów w celu wprowadzenia miejsc defektów w celu skrócenia czasu regeneracji urządzenia (zwykle kilka nanosekund) do trybu pikosekundowego wymaganego w zastosowaniach blokowania modów lasera o krótkim impulsie; ponieważ SESAM jest urządzeniem odblaskowym, jego użycie jest ograniczone tylko do niektórych typów liniowych topologii wnęki.

Inne topologie wnęki laserowej, takie jak konstrukcja wnęki pierścieniowej, która wymaga urządzenia pracującego w trybie transmisji, która oferuje korzyści, takie jak podwojenie częstotliwości powtarzania dla danej długości wnęki, i która jest mniej wrażliwa na niestabilność wywołaną odbiciem przy użyciu optycznego izolatory, nie jest możliwe, chyba że zastosowano cyrkulator optyczny, co zwiększa utratę wnęki i złożoność lasera; SESAM mają również niski próg uszkodzeń optycznych. Nie było jednak alternatywnych, ulegających nasyceniu materiałów absorbujących, które mogłyby konkurować z SESAM o pasywne blokowanie modów laserów światłowodowych.

Ostatnio, dzięki właściwościom nasycania się absorpcji w jednościennych nanorurkach węglowych (SWCNT) w obszarze bliskiej podczerwieni z ultraszybkimi czasami odzyskiwania nasycenia ~ 1 pikosekundy, naukowcy z powodzeniem wyprodukowali nowy typ skutecznego nasycalnego absorbera, zupełnie inny niż SESAM w struktury i wytwarzania, co w rzeczywistości doprowadziło do zademonstrowania piko- lub subpikosekundowych laserów światłowodowych domieszkowanych erbem (EDF). W tych laserach stałe nasycalne absorbery SWCNT zostały utworzone przez bezpośrednie osadzanie warstw SWCNT na płaskich podłożach szklanych, podłożach lustrzanych lub końcowych powierzchniach włókien optycznych. Jednak niejednorodne chiralne właściwości SWNT stwarzają nieodłączne problemy z precyzyjną kontrolą właściwości nasycalnego absorbera. Ponadto obecność wiązek i splątanych SWNT, cząstek katalizatora i tworzenie się pęcherzyków powoduje wysokie straty nienasycone we wnęce, pomimo faktu, że gospodarz polimerowy może do pewnego stopnia obejść niektóre z tych problemów i zapewnić łatwość integracji urządzenia. Ponadto, pod wpływem ultrakrótkich impulsów o dużej energii dochodzi do utleniania indukowanego efektem wielofotonowym, co pogarsza długoterminową stabilność absorbera.

Grafen to pojedyncza dwuwymiarowa (2D) warstwa atomowa atomu węgla ułożona w sześciokątną siatkę. Chociaż jako izolowana folia jest półprzewodnikiem o zerowej przerwie wzbronionej, stwierdzono, że podobnie jak SWCNT, grafen ma również nasycalną absorpcję. W szczególności, ponieważ nie ma pasma wzbronionego, jego nasycalna absorpcja jest niezależna od długości fali. Potencjalnie możliwe jest wykorzystanie grafenu lub kompozytu grafenowo-polimerowego do stworzenia szerokopasmowego nasycalnego absorbera do blokowania trybu laserowego. Ponadto, w porównaniu z SWCNT, ponieważ grafen ma strukturę 2D, powinien mieć znacznie mniejsze straty nienasycone i znacznie wyższy próg uszkodzenia. Rzeczywiście, dzięki laserowi światłowodowemu domieszkowanemu erbem osiągnięto samoczynne blokowanie trybu i stabilną emisję impulsu solitonowego o wysokiej energii.

Ze względu na doskonałe właściwości absorpcji izotropowej grafenu, wygenerowane solitony można uznać za solitony wektorowe. Jak ewolucja solitonu wektorowego pod wpływem grafenu była nadal niejasna, ale interesująca, zwłaszcza że obejmowała wzajemne oddziaływanie nieliniowej fali optycznej z atomami, co podkreślono w Nature Asia Materials i nanowerk.

Co więcej, grafen w warstwie atomowej posiada niewrażliwą na długość fali ultraszybką nasycalną absorpcję, którą można wykorzystać jako blokadę trybu „pełnopasmowego”. Eksperymentalnie wykazano, że z dyssypatywnym laserem światłowodowym solitonowym z domieszką erbu, zablokowanym kilkuwarstwowym grafenem, można uzyskać dyssypatywne solitony z ciągłym dostrajaniem długości fali do 30 nm (1570 nm-1600 nm).

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Vector_soliton&oldid=1105557634 ”