Vektorové soliton - Vector soliton

Ve fyzikální optice nebo vlnové optice je vektorový soliton osamělá vlna s více složkami spojenými dohromady, která si udržuje svůj tvar během šíření. Obyčejné solitony si udržují svůj tvar, ale mají účinně pouze jednu (skalární) polarizační složku, zatímco vektorové solitony mají dvě odlišné polarizační složky. Ze všech typů solitonů nejvíce přitahují optické vektorové solitony díky své široké škále aplikací, zejména při generování ultrarychlých pulzů a technologii řízení světla. Optické vektorové solitony lze rozdělit na solitony časových vektorů a solitony prostorových vektorů. Během šíření jak časových solitonů, tak i prostorových solitonů, i když jsou v médiu s dvojlomem , se ortogonální polarizace mohou kopropagovat jako jedna jednotka bez rozdělení díky silné mezifázové modulaci a koherentní energetické výměně mezi dvěma polarizacemi vektorového solitonu, které může vyvolat rozdíly intenzity mezi těmito dvěma polarizacemi. Takže vektorové solitony již nejsou lineárně polarizované, ale spíše elipticky polarizované.

Definice

CR Menyuk nejprve odvodil rovnici nelineárního šíření pulsu v jednomódovém optickém vlákně (SMF) za slabého dvojlomu. Poté Menyuk popsal vektorové solitony jako dva solitony (přesněji nazývané solitérní vlny) s ortogonálními polarizacemi, které se společně šíří, aniž by rozptýlily svoji energii a přitom si zachovaly své tvary. Kvůli nelineární interakci mezi těmito dvěma polarizacemi, navzdory existenci dvojlomu mezi těmito dvěma polarizačními režimy, mohli stále upravit svou skupinovou rychlost a být uvězněni společně.

Vektorové solitony mohou být prostorové nebo časové a jsou tvořeny dvěma ortogonálně polarizovanými složkami jednoho optického pole nebo dvěma poli různých frekvencí, ale se stejnou polarizací.

Dějiny

V roce 1987 Menyuk poprvé odvodil nelineární rovnici šíření pulzu v SMF za slabého dvojlomu. Tato klíčová rovnice otevřela vědcům nové pole „skalárních“ solitonů. Jeho rovnice se týká nelineární interakce (mezifázová modulace a koherentní výměna energie) mezi dvěma ortogonálními polarizačními složkami vektorového solitonu. Vědci získali analytická i numerická řešení této rovnice za slabého, středního a dokonce silného dvojlomu.

V roce 1988 Christodoulides a Joseph poprvé teoreticky předpovídali novou formu fázově uzavřeného vektorového solitonu v dvojlomných disperzních médiích, který je nyní známý jako vektorový soliton fázového závěsu vysokého řádu v SMF. Má dvě složky ortogonální polarizace se srovnatelnou intenzitou. I přes existenci dvojlomů se tyto dvě polarizace mohly šířit stejnou rychlostí skupiny, když posunuly své centrální frekvence.

V roce 2000 Cundiff a Akhmediev zjistili, že tyto dvě polarizace mohou tvořit nejen takzvaný vektorový soliton blokovaný rychlostí skupiny, ale také vektorový soliton blokovaný polarizací. Uváděli, že poměr intenzity těchto dvou polarizací může být přibližně 0,25–1,00.

Nedávno však byl pozorován jiný typ solitonů vektorů, „soliton indukovaných vektorů“. Takový vektorový soliton je nový v tom, že rozdíl intenzity mezi dvěma ortogonálními polarizacemi je extrémně velký (20 dB). Zdá se, že slabá polarizace obvykle není schopna vytvořit součást vektorového solitonu. Avšak vzhledem k modulaci křížové polarizace mezi silnými a slabými polarizačními složkami mohl být také vytvořen „slabý soliton“. Ukazuje tedy, že získaný soliton není „skalárním“ solitonem s režimem lineární polarizace, ale spíše vektorovým solitonem s velkou elipticitou. Tím se rozšíří rozsah vektorového soliton tak, aby poměr intenzity mezi silnou a slabou složkou vektorového soliton nebyl omezen na 0,25–1,0, ale nyní může být rozšířen na 20 dB.

Na základě klasické práce Christodoulidesa a Josepha, která se týká vektorového solitonu fázového závěsu vysokého řádu v SMF, byl nedávno ve vláknovém laseru vytvořen stabilní vektorový soliton fázového závěsu vysokého řádu. Má charakteristiku, že nejen že jsou dvě ortogonálně polarizované solitonové složky fázově uzavřené, ale také jedna ze složek má profil intenzity dvojitého hrbolu.

Následující obrázky ukazují, že když se vezme v úvahu dvojlom vlákna, jedna nelineární Schrödingerova rovnice (NLSE) nedokáže popsat dynamiku solitonů, ale místo toho jsou vyžadovány dvě spojené NLSE. Poté lze numericky získat solitony se dvěma režimy polarizace.

Proč se generují vektorové solitony?

FWM spektrální postranní pásmo ve vektorovém solitonu

Nový vzor spektrálních postranních pásem byl nejprve experimentálně pozorován na solitonových spektrech polarizačně rozlišených vektorových solitonů vláknových laserů s polarizací. Nová spektrální postranní pásma se vyznačují tím, že jejich pozice na spektru solitonu se mění s intenzitou dvojlomnosti lineární dutiny, a zatímco postranní pásmo jedné polarizační složky má spektrální vrchol, ortogonální polarizační složka má spektrální pokles, což naznačuje energetickou výměnu mezi dvěma složkami ortogonální polarizace vektorových solitonů. Numerické simulace také potvrdily, že vznik nového typu spektrálních postranních pásem byl způsoben FWM mezi dvěma polarizačními složkami.

Vázaný vektor soliton

Dva sousední vektorové solitony by mohly vytvořit vázaný stav. Ve srovnání se skalárně vázanými solitony je stav polarizace tohoto solitonu složitější. Kvůli křížovým interakcím by vázané vektorové solitony mohly mít mnohem silnější interakční síly, než jaké mohou existovat mezi skalárními solitony.

Vektorové tmavé soliton

Tmavé solitony se vyznačují tím, že jsou vytvořeny z lokalizovaného snížení intenzity ve srovnání s intenzivnějším pozadím souvislých vln. Skalární tmavé solitony (lineárně polarizované tmavé solitony) mohou být vytvořeny ve všech normálních disperzních vláknových laserech režimově uzamčených metodou nelineární polarizační rotace a mohou být poměrně stabilní. Vektorové tmavé solitony jsou mnohem méně stabilní kvůli křížové interakci mezi dvěma polarizačními složkami. Je tedy zajímavé prozkoumat, jak se vyvíjí stav polarizace těchto dvou polarizačních složek.

V roce 2009 byl úspěšně dosažen první vláknový laser s tmavým solitonem ve vlákně laseru dopovaném erbiem s normální disperzí s polarizátorem v dutině. Experimentální zjištění, že kromě emise jasných pulsů může vláknový laser za vhodných podmínek emitovat také jeden nebo více temných pulsů. Na základě numerických simulací interpretujeme tvorbu temných pulsů v laseru jako výsledek tvarování temných solitonů.

Vektor tmavý jasný soliton

„Jasný soliton“ je charakterizován jako vrchol lokalizované intenzity nad pozadím kontinuální vlny (CW), zatímco tmavý soliton je uváděn jako pokles lokalizované intenzity pod pozadí kontinuální vlny (CW). „Vektor tmavý jasný soliton“ znamená, že jeden polarizační stav je jasný soliton, zatímco druhý polarizace je tmavý soliton. Vektorové tmavé světlé solitony byly hlášeny v nekoherentně vázaných prostorových DBVS v médiu s vlastním rozostřením a DBVS s hmotnými vlnami ve dvoudruhových kondenzátech s odpudivými rozptylovými interakcemi, ale nikdy nebyly ověřeny v oblasti optických vláken.

Indukovaný vektorový soliton

Použitím vláknového laseru s dvojlomnou dutinou lze vytvořit indukovaný vektorový soliton v důsledku křížové vazby mezi dvěma složkami ortogonální polarizace. Pokud se vytvoří silný soliton podél jedné hlavní osy polarizace, pak bude slabý soliton indukován podél osy ortogonální polarizace. Intenzita slabé složky v indukovaném vektorovém solitonu může být tak slabá, že sama o sobě nemůže vytvořit soliton v SPM. Vlastnosti tohoto typu solitonů byly modelovány numericky a potvrzeny experimentem.

Vektorové disipativní soliton

Vektorový disipativní soliton by mohl být vytvořen v laserové dutině se síťovou pozitivní disperzí a jeho mechanismus tvorby je přirozeným výsledkem vzájemné nelineární interakce mezi normální disperzí dutiny, nelineárního Kerrova efektu dutiny, saturace zisku laseru a filtrování šířky pásma. Pro konvenční soliton je to rovnováha mezi pouze disperzí a nelinearitou. Na rozdíl od konvenčních solitonů je disipativní soliton Vector silně frekvenčně cvrlikán. Není známo, zda může být ve vláknovém laseru vytvořen vektorový soliton s fázově blokovaným ziskem: buď polarizační rotující nebo fázově blokovaný disipativní vektorový soliton může být vytvořen ve vláknovém laseru s velkou čistou rychlostí skupiny skupin dutin disperze. Kromě toho lze v pasivním vláknovém laseru s pasivním režimem pomocí SESAM vytvořit více disipativních solitonů vektoru se stejnými parametry solitonů a harmonickým blokováním režimu jako konvenční disipativní vektorový soliton.

Disipativní soliton s více vlnovými délkami

Nedávno byl generován disipativní soliton s více vlnovými délkami u laseru se všemi normálními disperzními vlákny pasivně blokovaného pomocí SESAM. Bylo zjištěno, že v závislosti na dvojlomnosti dutiny lze v laseru vytvořit stabilní disipativní soliton s jednou, dvěma a třemi vlnovými délkami. Mechanismus jeho generování lze vysledovat zpět k povaze disipativní soliton.

Polarizační rotace vektorového solitonu

Ve skalárních solitonech je výstupní polarizace vždy lineární kvůli existenci polarizátoru v dutině. Ale u vektorových solitonů může být polarizační stav libovolně rotující, ale stále uzamčen na dobu průchodu dutiny nebo na její celočíselný násobek.

Vektorový soliton vyššího řádu

Ve vektorových solitonech vyššího řádu jsou nejen dvě ortogonálně polarizované solitonové složky fázově uzamčeny, ale také jedna ze složek má profil intenzity dvojitého hrbolu. V laserech bylo také získáno několik takových fázově uzamčených vektorových solitonů vysokého řádu se stejnými parametry solitonů a harmonickým blokováním vektorových solitonů. Numerické simulace potvrdily existenci stabilních vektorových solitonů vysokého řádu ve vláknových laserech.

Solitonová stěna optické domény

Nedávno byl fázově blokovaný tmavě-tmavý vektorový soliton pozorován pouze u vláknových laserů s pozitivní disperzí, fázově uzavřený tmavě-jasný vektorový soliton byl získán u vláknových laserů s pozitivní nebo negativní disperzí. Numerické simulace potvrdily experimentální pozorování a dále ukázaly, že pozorované vektorové solitony jsou teoreticky předpovězené dva typy solitónů fázově uzavřené polarizační domény.

Vektorový solitonový laser s atomovou vrstvou grafenu

Kromě konvenčních polovodičových saturovatelných absorbujících zrcadel (SESAM), která používají III – V polovodičové vícenásobné kvantové jamky pěstované na distribuovaných Braggových reflektorech (DBR), se mnoho vědců zaměřilo na jiné materiály jako saturovatelné absorbéry. Zejména proto, že se SESAM je spojena řada nevýhod. Například SESAM vyžadují složité a nákladné výrobní systémy založené na čistých prostorech, jako je depozice par kovem a organickými chemickými látkami (MOCVD) nebo molekulární paprsková epitaxe (MBE), a v některých případech je nutný další proces odstraňování substrátu; k zavedení defektních míst je nutná implantace těžkých iontů s vysokou energií, aby se zkrátila doba zotavení zařízení (obvykle několik nanosekund) na pikosekundový režim požadovaný pro aplikace s krátkým pulzním laserovým zamykáním; protože SESAM je reflexní zařízení, jeho použití je omezeno pouze na určité typy topologií lineární dutiny.

Jiné topologie laserových dutin, jako je konstrukce prstencové dutiny, která vyžaduje zařízení v režimu přenosu, které nabízí výhody, jako je zdvojnásobení rychlosti opakování pro danou délku dutiny, a která je méně citlivá na nestabilitu vyvolanou odrazem při použití optického izolátory, není možné, pokud není použit optický cirkulátor, což zvyšuje ztrátu dutiny a složitost laseru; SESAM také trpí nízkou prahovou hodnotou optického poškození. Neexistovaly však žádné alternativní nasytitelné absorpční materiály, které by konkurovaly SESAMům o pasivní blokování vláknových laserů.

Nedávno, díky saturovatelným absorpčním vlastnostem v uhlíkových nanotrubičkách s jednou stěnou (SWCNT) v blízké infračervené oblasti s ultrarychlou dobou zotavení saturace ~ 1 pikosekundu, vědci úspěšně vyrobili nový typ účinného saturovatelného absorbéru zcela odlišného od SESAM v struktura a výroba a ve skutečnosti vedla k demonstraci piko- nebo subpikosekundových laserů na bázi erbem dopovaných vláken (EDF). V těchto laserech byly vytvořeny pevné nasycitelné absorbéry SWCNT přímým nanášením filmů SWCNT na ploché skleněné substráty, zrcadlové substráty nebo koncové plošky optických vláken. Nejednotné chirální vlastnosti SWNT však představují inherentní problémy s přesnou kontrolou vlastností saturovatelného absorbéru. Kromě toho přítomnost spojených a zapletených SWNT, částic katalyzátoru a tvorba bublin způsobují vysoké nenasycené ztráty v dutině, a to navzdory skutečnosti, že hostitel polymeru může do jisté míry obejít některé z těchto problémů a umožnit snadnou integraci zařízení. Kromě toho pod velkou energií ultrakrátkých pulzů dochází k oxidaci vyvolané vícefotonovým efektem, což zhoršuje dlouhodobou stabilitu absorbéru.

Grafen je jednoduchá dvourozměrná (2D) atomová vrstva atomu uhlíku uspořádaná v hexagonální mřížce. Ačkoli jako izolovaný film jde o polovodič s nulovým pásmem, bylo zjištěno, že stejně jako SWCNT má grafen také saturovatelnou absorpci. Zejména proto, že nemá bandgap, je jeho saturovatelná absorpce nezávislá na vlnové délce. Je potenciálně možné použít grafen nebo grafen-polymerní kompozit k výrobě širokopásmového nasytitelného absorbéru pro uzamčení v laserovém režimu. Navíc ve srovnání s SWCNT, protože grafen má 2D strukturu, měl by mít mnohem menší nesaturovatelnou ztrátu a mnohem vyšší práh poškození. Ve skutečnosti jsme s vláknovým laserem dotovaným erbiem dosáhli samočinného blokování režimu a stabilní emise solitonového pulzu s vysokou energií.

Díky dokonalým izotropním absorpčním vlastnostem grafenu lze generované solitony považovat za vektorové solitony. Jak byl vývoj vektorového solitonu pod interakcí grafenu stále nejasný, ale zajímavý, zejména proto, že zahrnoval vzájemnou interakci nelineární optické vlny s atomy., Což bylo zdůrazněno v Nature Asia Materials a nanowerk.

Atomová vrstva grafenu má navíc ultrarychlou saturovatelnou absorpci necitlivou na vlnovou délku, kterou lze využít jako skříňku v režimu „celého pásma“. S erbiem dopovaným disipativním solitonovým vláknovým laserovým režimem uzamčeným několika vrstvami grafenu bylo experimentálně prokázáno, že lze získat disipativní solitony s kontinuálním laděním vlnových délek až 30 nm (1570 nm - 1600 nm).

Viz také

Reference