Векторный солитон

В физической оптике или волновой оптике векторный солитон представляет собой уединенную волну с несколькими компонентами, связанными вместе, которая сохраняет свою форму во время распространения. Обычные солитоны сохраняют свою форму, но фактически имеют только один (скалярный) компонент поляризации, тогда как векторные солитоны имеют два различных компонента поляризации. Среди всех типов солитонов наибольшее внимание привлекают оптические векторные солитоны из-за широкого спектра их применения, в частности, в генерации сверхбыстрых импульсов и технологии управления светом. Оптические векторные солитоны можно разделить на временные векторные солитоны и пространственные векторные солитоны. Во время распространения как временных, так и пространственных солитонов, несмотря на то, что они находятся в среде с двойным лучепреломлением , ортогональные поляризации могут распространяться как одно целое без расщепления из-за сильной перекрестной фазовой модуляции и когерентного обмена энергией между двумя поляризациями векторного солитона, который может вызвать разницу в интенсивности между этими двумя поляризациями. Таким образом, векторные солитоны уже не линейно поляризованы, а эллиптически поляризованы.

Определение

К. Р. Менюк впервые получил уравнение нелинейного распространения импульса в одномодовом оптическом волокне (ОМС) в условиях слабого двулучепреломления. Затем Менюк описал векторные солитоны как два солитона (точнее, уединенные волны) с ортогональными поляризациями, которые распространяются вместе, не рассеивая свою энергию и сохраняя при этом свою форму. Из-за нелинейного взаимодействия между этими двумя поляризациями, несмотря на существование двойного лучепреломления между этими двумя модами поляризации, они все равно могут регулировать свою групповую скорость и оказаться в ловушке вместе.

Векторные солитоны могут быть пространственными или временными и образуются двумя ортогонально поляризованными компонентами одного оптического поля или двумя полями разных частот, но одинаковой поляризации.

История

В 1987 году Менюк впервые вывел уравнение нелинейного распространения импульса в СМП в условиях слабого двулучепреломления. Это оригинальное уравнение открыло исследователям новую область «скалярных» солитонов. Его уравнение касается нелинейного взаимодействия (перекрестная фазовая модуляция и когерентный обмен энергией) между двумя ортогональными компонентами поляризации векторного солитона. Исследователи получили как аналитические, так и численные решения этого уравнения при слабом, умеренном и даже сильном двулучепреломлении.

В 1988 году Христодулидес и Джозеф впервые теоретически предсказали новую форму векторного солитона с фазовой синхронизацией в двулучепреломляющих средах, которая теперь известна как векторный солитон с фазовой синхронизацией высокого порядка в SMF. Он имеет две ортогональные компоненты поляризации сравнимой интенсивности. Несмотря на существование двойного лучепреломления, эти две поляризации могут распространяться с одинаковой групповой скоростью, сдвигая свои центральные частоты.

В 2000 году Кандифф и Ахмедиев обнаружили, что эти две поляризации могут образовывать не только так называемый векторный солитон с синхронизацией групповой скорости, но также векторный солитон с синхронизацией поляризации. Они сообщили, что отношение интенсивностей этих двух поляризаций может составлять около 0,25–1,00.

Однако недавно был обнаружен другой тип векторных солитонов — «индуцированный векторный солитон». Новизна такого векторного солитона состоит в том, что разница интенсивностей между двумя ортогональными поляризациями чрезвычайно велика (20 дБ). По-видимому, слабые поляризации обычно не способны образовывать компоненту векторного солитона. Однако из-за кроссполяризационной модуляции между сильными и слабыми компонентами поляризации также может образоваться «слабый солитон». Таким образом, это демонстрирует, что полученный солитон не является «скалярным» солитоном с линейной модой поляризации, а скорее векторным солитоном с большой эллиптичностью. Это расширяет возможности векторного солитона, так что соотношение интенсивностей между сильной и слабой компонентами векторного солитона не ограничивается 0,25–1,0, а теперь может достигать 20 дБ.

На основе классического произведения Христодулидеса и Иосифа. Что касается фазового векторного солитона высокого порядка в одномодовых магнитных полях, то в волоконном лазере недавно был создан стабильный фазовый векторный солитон высокого порядка. Его особенностью является то, что не только две ортогонально поляризованные компоненты солитона синхронизированы по фазе, но также один из компонентов имеет двугорбый профиль интенсивности.

Следующие изображения показывают, что если принять во внимание двойное лучепреломление волокна, одно нелинейное уравнение Шредингера (НУШ) ​​не может описать динамику солитона, и вместо этого требуются два связанных НУШ. Тогда численно можно получить солитоны с двумя модами поляризации.

Спектральная боковая полоса ЧВВ в векторном солитоне

Впервые экспериментально обнаружена новая картина боковых полос спектра на поляризационно-разрешенных солитонных спектрах векторных солитонов с синхронизацией поляризации волоконных лазеров. Новые боковые полосы спектра характеризуются тем, что их положение в спектре солитона меняется в зависимости от силы двойного лучепреломления линейного резонатора, и хотя боковая полоса одной компоненты поляризации имеет спектральный пик, ортогональная компонента поляризации имеет спектральный провал, указывающий на обмен энергией. между двумя ортогональными компонентами поляризации векторных солитонов. Численное моделирование также подтвердило, что формирование нового типа боковых полос спектра было вызвано ЧВВ между двумя компонентами поляризации.

Связанный векторный солитон

Два соседних векторных солитона могут образовывать связанное состояние. По сравнению со скалярными связанными солитонами состояние поляризации этого солитона более сложное. Из-за перекрестных взаимодействий связанные векторные солитоны могут иметь гораздо более сильные силы взаимодействия, чем между скалярными солитонами.

Векторный темный солитон

Темные солитоны характеризуются тем, что формируются в результате локализованного снижения интенсивности по сравнению с более интенсивным фоном непрерывной волны. Скалярные темные солитоны (линейно поляризованные темные солитоны) могут формироваться во всех волоконных лазерах с нормальной дисперсией с синхронизацией мод методом нелинейного вращения поляризации и могут быть достаточно стабильными. Векторные темные солитоны гораздо менее стабильны из-за перекрестного взаимодействия между двумя компонентами поляризации. Поэтому интересно исследовать, как меняется состояние поляризации этих двух компонент поляризации.

В 2009 году был успешно создан первый темный солитонный волоконный лазер в виде волоконного лазера с нормальной дисперсией, легированного эрбием, с поляризатором в резонаторе. Экспериментально обнаружено, что помимо яркого импульсного излучения при соответствующих условиях волоконный лазер может также излучать одиночные или множественные темные импульсы. На основе численного моделирования мы интерпретируем формирование темного импульса в лазере как результат формирования темного солитона.

Вектор темный яркий солитон

«Яркий солитон» характеризуется как локализованный пик интенсивности над фоном непрерывной волны (CW), тогда как темный солитон характеризуется как локализованный провал интенсивности ниже фона непрерывной волны (CW). «Векторный темный яркий солитон» означает, что одно состояние поляризации представляет собой яркий солитон, а другое состояние поляризации — темный солитон. Обнаружены векторные темные яркие солитоны в некогерентно связанных пространственных ДБВС в самодефокусирующейся среде и ДБВС материи в двухкомпонентных конденсатах с отталкивающим рассеянием но никогда не проверялось в области оптического волокна.

Индуцированный векторный солитон

Используя волоконный лазер с двулучепреломлением и резонатором, можно сформировать индуцированный векторный солитон за счет перекрестной связи между двумя ортогональными компонентами поляризации. Если вдоль одной главной оси поляризации образуется сильный солитон, то вдоль ортогональной оси поляризации будет индуцироваться слабый солитон. Интенсивность слабой компоненты в индуцированном векторном солитоне может быть настолько слабой, что сама по себе она не сможет образовать солитон в СЗМ. Характеристики этого типа солитона смоделированы численно и подтверждены экспериментом.

Векторный диссипативный солитон

Векторный диссипативный солитон может быть сформирован в лазерном резонаторе с чистой положительной дисперсией, и механизм его формирования является естественным результатом взаимного нелинейного взаимодействия между нормальной дисперсией резонатора, нелинейным эффектом Керра резонатора, насыщением усиления лазера и фильтрацией полосы усиления. Для обычного солитона это баланс только между дисперсией и нелинейностью. В отличие от обычного солитона, векторный диссипативный солитон имеет сильно чирпируемую частоту. Неизвестно, может ли векторный солитон с фазовой синхронизацией и усилением быть сформирован в волоконном лазере: либо поляризационно-вращающийся, либо диссипативный векторный солитон с фазовой синхронизацией может быть сформирован в волоконном лазере с большой чистой нормальной групповой скоростью резонатора. дисперсия. Кроме того, несколько векторных диссипативных солитонов с идентичными параметрами солитона и гармонической синхронизацией мод с обычным диссипативным векторным солитоном также могут быть сформированы в волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM.

Многоволновой диссипативный солитон

Недавно был создан многоволновый диссипативный солитон в волоконном лазере с нормальной дисперсией и пассивной синхронизацией мод с помощью SESAM. Установлено, что в зависимости от двулучепреломления резонатора в лазере могут формироваться устойчивые одно-, двух- и трехволновые диссипативные солитоны. Механизм его генерации можно объяснить природой диссипативного солитона.

Поляризационный поворот векторного солитона

В скалярных солитонах выходная поляризация всегда линейна из-за существования внутрирезонаторного поляризатора. Но для векторных солитонов состояние поляризации может вращаться произвольно, но при этом оставаться привязанным к времени прохождения резонатора туда и обратно или целому кратному ему.

Векторный солитон высшего порядка

В векторных солитонах более высокого порядка не только две ортогонально поляризованные компоненты солитона синхронизированы по фазе, но и одна из компонент имеет двугорбый профиль интенсивности. В лазерах также получено множество таких фазовых векторных солитонов высокого порядка с одинаковыми параметрами солитонов и гармонической синхронизацией мод векторных солитонов. Численное моделирование подтвердило существование стабильных векторных солитонов высоких порядков в волоконных лазерах.

Оптический солитон доменной стенки

В последнее время синхронизированный по фазе векторный солитон «темно-темно» наблюдался только в волоконных лазерах с положительной дисперсией, векторный солитон «темно-светлый» с синхронизацией по фазе был получен в волоконных лазерах как с положительной, так и с отрицательной дисперсией. Численное моделирование подтвердило экспериментальные наблюдения и дополнительно показало, что наблюдаемые векторные солитоны представляют собой два типа поляризационных солитонов доменной стенки с фазовой синхронизацией, предсказанных теоретически.

Векторный солитонный волоконный лазер с атомным слоем графена

За исключением традиционных полупроводниковых зеркал с насыщающимся поглотителем (SESAM), в которых используются полупроводниковые множественные квантовые ямы III – V, выращенные на распределенных брэгговских отражателях (DBR), многие исследователи обратили свое внимание на другие материалы в качестве насыщающихся поглотителей. Тем более, что у SESAM есть ряд недостатков. Например, для SESAM требуются сложные и дорогостоящие производственные системы на базе чистых помещений, такие как химическое осаждение из паровой фазы металлов и органических веществ (MOCVD) или молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE), а в некоторых случаях необходим дополнительный процесс удаления подложки; требуется имплантация высокоэнергетических тяжелых ионов для создания дефектных участков, чтобы сократить время восстановления устройства (обычно несколько наносекунд) до пикосекундного режима, необходимого для приложений синхронизации мод с короткими импульсами лазера; поскольку SESAM является отражающим устройством, его использование ограничено только определенными типами топологий линейного резонатора.

Другие топологии лазерного резонатора, такие как конструкция с кольцевым резонатором, для которой требуется устройство с режимом пропускания, которое дает такие преимущества, как удвоение частоты повторения для заданной длины резонатора, и которое менее чувствительно к нестабильности, вызванной отражением, с использованием оптического изоляторы невозможны без использования оптического циркулятора, что увеличивает потери в резонаторе и сложность лазера; SESAM также страдают от низкого порога оптического повреждения. Но не было альтернативных насыщающихся поглощающих материалов, которые могли бы конкурировать с SESAM в области пассивной синхронизации мод волоконных лазеров.

Недавно, благодаря свойствам насыщающегося поглощения одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) в ближней инфракрасной области со сверхбыстрым временем восстановления после насыщения, составляющим ~1 пикосекунду, исследователи успешно создали новый тип эффективного насыщаемого поглотителя, сильно отличающегося от SESAM в структура и изготовление, что фактически привело к демонстрации пико- или субпикосекундных волоконных лазеров, легированных эрбием (EDF). В этих лазерах насыщаемые поглотители из твердых ОУНТ формируются путем прямого осаждения пленок ОСУНТ на плоские стеклянные подложки, зеркальные подложки или торцевые грани оптических волокон. Однако неоднородные киральные свойства ОСНТ создают проблемы для точного контроля свойств насыщающегося поглотителя. Кроме того, наличие связанных и запутанных ОСНТ, частиц катализатора и образование пузырьков вызывают высокие ненасыщаемые потери в полости, несмотря на то, что полимерный хозяин может в некоторой степени обойти некоторые из этих проблем и обеспечить простоту интеграции устройства. Кроме того, под воздействием ультракоротких импульсов большой энергии происходит многофотонное окисление, индуцированное многофотонным эффектом, что ухудшает долговременную стабильность поглотителя.

Графен представляет собой одиночный двумерный (2D) атомный слой атомов углерода, расположенный в гексагональной решетке. Хотя в виде изолированной пленки графен представляет собой полупроводник с нулевой запрещенной зоной, обнаружено, что, как и ОСУНТ, графен также обладает насыщающимся поглощением. В частности, поскольку у него нет запрещенной зоны, его насыщающееся поглощение не зависит от длины волны. Потенциально возможно использовать графен или графен-полимерный композит для создания широкополосного насыщающегося поглотителя для синхронизации лазерных мод. Кроме того, по сравнению с ОСУНТ, поскольку графен имеет двумерную структуру, он должен иметь гораздо меньшие ненасыщаемые потери и гораздо более высокий порог повреждения. Действительно, с помощью волоконного лазера, легированного эрбием, мы достигли самозапуска синхронизации мод и стабильного излучения солитонного импульса с высокой энергией.

Благодаря идеальным свойствам изотропного поглощения графена генерируемые солитоны можно рассматривать как векторные солитоны. Как происходит эволюция векторного солитона при взаимодействии графена, пока было неясно, но интересно, в частности потому, что она предполагает взаимное взаимодействие нелинейных оптических волн с атомами. что было подчеркнуто в Nature Asia Materials. и нановерк.

Кроме того, графен с атомным слоем обладает нечувствительным к длине волны сверхбыстрым насыщающимся поглощением, которое можно использовать в качестве «полнодиапазонного» блокировщика мод. Экспериментально было показано, что с помощью режима диссипативного солитонного волоконного лазера, легированного эрбием, синхронизированного с несколькими слоями графена, можно получить диссипативные солитоны с непрерывной настройкой длины волны до 30 нм (1570–1600 нм).

См. также

• Солитон
• Волоконный лазер
• Нелинейная система
• Компактон — солитон с компактным носителем.
• Притирка
• Волны-фрики могут быть родственным явлением
• Осциллон
• Пикон — солитон с недифференцируемым пиком.
• Q-ball — нетопологический солитон.
• Солитон (топологический)
• Солитон (оптика)
• Солитонная модель распространения нервного импульса
• Пространственный солитон
• Уединенные волны в дискретных средах [1]
• Топологическое квантовое число
• Уравнение Синус-Гордон
• Графен
• Нелинейное уравнение Шрёдингера