En óptica física u óptica de ondas , un solitón vectorial es una onda solitaria con múltiples componentes acoplados entre sí que mantiene su forma durante la propagación. Los solitones ordinarios mantienen su forma pero tienen efectivamente solo un componente de polarización (escalar), mientras que los solitones vectoriales tienen dos componentes de polarización distintos. Entre todos los tipos de solitones, los solitones de vector óptico atraen la mayor atención debido a su amplia gama de aplicaciones, particularmente en la generación de pulsos ultrarrápidos y tecnología de control de luz. Los solitones vectoriales ópticos se pueden clasificar en solitones vectoriales temporales y solitones vectoriales espaciales. Durante la propagación de solitones temporales y espaciales, a pesar de estar en un medio con birrefringencia , las polarizaciones ortogonales pueden copropagarse como una unidad sin dividirse debido a la fuerte modulación de fase cruzada y al intercambio de energía coherente entre las dos polarizaciones del solitón vectorial que puede inducir diferencias de intensidad entre estas dos polarizaciones. Por lo tanto, los solitones vectoriales ya no están polarizados linealmente sino más bien polarizados elípticamente.
Definición
CR Menyuk primero derivó la ecuación de propagación de pulso no lineal en una fibra óptica monomodo (SMF) bajo birrefringencia débil. Luego, Menyuk describió los solitones vectoriales como dos solitones (más exactamente llamados ondas solitarias) con polarizaciones ortogonales que se propagan conjuntamente sin dispersar su energía y conservando sus formas. Debido a la interacción no lineal entre estas dos polarizaciones, a pesar de la existencia de birrefringencia entre estos dos modos de polarización, aún podrían ajustar la velocidad de su grupo y quedar atrapados juntos. [1]
Los solitones vectoriales pueden ser espaciales o temporales y están formados por dos componentes polarizados ortogonalmente de un solo campo óptico o dos campos de diferentes frecuencias pero con la misma polarización.
Historia
En 1987 Menyuk derivó por primera vez la ecuación de propagación de pulso no lineal en SMF bajo birrefringencia débil. Esta ecuación fundamental abrió el nuevo campo de los solitones "escalares" a los investigadores. Su ecuación se refiere a la interacción no lineal (modulación de fase cruzada e intercambio de energía coherente) entre los dos componentes de polarización ortogonal del vector solitón. Los investigadores han obtenido soluciones tanto analíticas como numéricas de esta ecuación bajo birrefringencia débil, moderada e incluso fuerte.
En 1988, Christodoulides y Joseph predijeron teóricamente por primera vez una nueva forma de solitón de vector de fase bloqueada en medios dispersivos birrefringentes, que ahora se conoce como un solitón de vector de fase bloqueada de alto orden en SMF. Tiene dos componentes de polarización ortogonal con intensidad comparable. A pesar de la existencia de birrefringencia, estas dos polarizaciones podrían propagarse con la misma velocidad de grupo a medida que cambian sus frecuencias centrales. [2]
En 2000, Cundiff y Akhmediev descubrieron que estas dos polarizaciones podían formar no solo el llamado solitón vectorial bloqueado por velocidad de grupo, sino también un solitón vectorial bloqueado por polarización. Informaron que la relación de intensidad de estas dos polarizaciones puede ser de aproximadamente 0,25 a 1,00. [3]
Sin embargo, recientemente se ha observado otro tipo de solitón de vector, el "solitón de vector inducido". Un solitón vectorial de este tipo es novedoso porque la diferencia de intensidad entre las dos polarizaciones ortogonales es extremadamente grande (20 dB). Parece que las polarizaciones débiles normalmente no pueden formar un componente de un solitón vectorial. Sin embargo, debido a la modulación de polarización cruzada entre componentes de polarización fuerte y débil, también podría formarse un "solitón débil". De esta forma se demuestra que el solitón obtenido no es un solitón "escalar" con un modo de polarización lineal, sino más bien un solitón vectorial con una gran elipticidad. Esto amplía el alcance del solitón vectorial de modo que la relación de intensidad entre los componentes fuerte y débil del solitón vectorial no se limita a 0,25–1,0, sino que ahora puede extenderse a 20 dB. [4]
Basado en el trabajo clásico de Christodoulides y Joseph, [5] que se refiere a un solitón de vector bloqueado en fase de alto orden en SMF, recientemente se ha creado un solitón vector bloqueado en fase de alto orden estable en un láser de fibra. Tiene la característica de que no solo los dos componentes del solitón polarizados ortogonalmente están bloqueados en fase, sino que también uno de los componentes tiene un perfil de intensidad de doble joroba. [6]
Las siguientes imágenes muestran que, cuando se tiene en cuenta la birrefringencia de la fibra, una única ecuación de Schrödinger no lineal (NLSE) no describe la dinámica del solitón, sino que se requieren dos NLSE acoplados. Entonces, se pueden obtener numéricamente solitones con dos modos de polarización.
Banda lateral espectral FWM en vector solitón
Primero se observó experimentalmente un nuevo patrón de bandas laterales espectrales en los espectros de solitones resueltos por polarización de los solitones vectoriales bloqueados por polarización de láseres de fibra. Las nuevas bandas laterales espectrales se caracterizan por el hecho de que sus posiciones en el espectro del solitón varían con la fuerza de la birrefringencia de la cavidad lineal, y mientras que la banda lateral de un componente de polarización tiene un pico espectral, el componente de polarización ortogonal tiene una caída espectral, lo que indica el intercambio de energía. entre las dos componentes de polarización ortogonal de los solitones vectoriales. Las simulaciones numéricas también confirmaron que la formación del nuevo tipo de bandas laterales espectrales fue causada por el FWM entre los dos componentes de polarización. [7]
Solitón de vector enlazado
Dos solitones vectoriales adyacentes podrían formar un estado ligado. En comparación con los solitones enlazados escalares, el estado de polarización de este solitón es más complejo. Debido a las interacciones cruzadas, los solitones vectoriales ligados podrían tener fuerzas de interacción mucho más fuertes que las que pueden existir entre solitones escalares. [8]
Vector solitón oscuro
Los solitones oscuros [9] se caracterizan por formarse a partir de una reducción localizada de intensidad en comparación con un fondo de onda continua más intenso. Los solitones oscuros escalares (solitones oscuros polarizados linealmente) se pueden formar en todos los láseres de fibra de dispersión normal bloqueados en modo por el método de rotación de polarización no lineal y pueden ser bastante estables. Los solitones oscuros vectoriales [10] son mucho menos estables debido a la interacción cruzada entre los dos componentes de polarización. Por tanto, es interesante investigar cómo evoluciona el estado de polarización de estos dos componentes de polarización.
En 2009, el primer láser de fibra de solitón oscuro se logró con éxito en un láser de fibra dopada con erbio de dispersión completamente normal con un polarizador en la cavidad. Descubrir experimentalmente que, además de la emisión de pulsos brillantes, en condiciones apropiadas, el láser de fibra también podría emitir pulsos oscuros únicos o múltiples. Basándonos en simulaciones numéricas, interpretamos la formación de pulsos oscuros en el láser como resultado de la formación de solitones oscuros. [11]
Vector solitón oscuro brillante
Un "solitón brillante" se caracteriza como un pico de intensidad localizado sobre un fondo de onda continua (CW) mientras que un solitón oscuro se presenta como una caída de intensidad localizada debajo de un fondo de onda continua (CW). "Vector solitón oscuro brillante" significa que un estado de polarización es un solitón brillante mientras que la otra polarización es un solitón oscuro. [12] Se han reportado solitones oscuros brillantes vectoriales en DBVS espaciales acoplados incoherentemente en un medio de autodesenfoque y DBVS de onda de materia en condensados de dos especies con interacciones de dispersión repulsivas, [13] [14] [15] pero nunca verificado en el campo de fibra óptica.
Solitón vectorial inducido
Usando un láser de fibra de cavidad birrefringente, se puede formar un solitón de vector inducido debido al acoplamiento cruzado entre los dos componentes de polarización ortogonal. Si se forma un solitón fuerte a lo largo de un eje de polarización principal, entonces se inducirá un solitón débil a lo largo del eje de polarización ortogonal. La intensidad del componente débil en un solitón de vector inducido puede ser tan débil que por sí solo no podría formar un solitón en el SPM. Las características de este tipo de solitón se han modelado numéricamente y se han confirmado mediante experimentos. [dieciséis]
Solitón disipativo de vector
Se podría formar un solitón disipativo de vector en una cavidad láser con dispersión positiva neta, y su mecanismo de formación es un resultado natural de la interacción no lineal mutua entre la dispersión normal de la cavidad, el efecto Kerr no lineal de la fibra de la cavidad, la saturación de la ganancia del láser y el filtrado de ancho de banda de ganancia. Para un solitón convencional, es un equilibrio entre solo la dispersión y la no linealidad. A diferencia de un solitón convencional, un solitón disipativo de vector tiene una frecuencia intensa. Se desconoce si se podría formar o no un solitón de vector guiado por ganancia de bloqueo de fase en un láser de fibra: el solitón de vector disipativo de polarización giratoria o de bloqueo de fase se puede formar en un láser de fibra con una gran velocidad neta normal de grupo de cavidades dispersión. Además, múltiples solitones disipativos de vector con parámetros de solitón idénticos y bloqueo de modo armónico al solitón de vector disipativo convencional también se pueden formar en un láser de fibra de bloqueo de modo pasivo con un SESAM. [17]
Solitón disipativo de longitud de onda múltiple
Recientemente, se ha generado un solitón disipativo de múltiples longitudes de onda en un láser de fibra de dispersión normal con bloqueo de modo pasivo con un SESAM. Se encuentra que, dependiendo de la birrefringencia de la cavidad, se puede formar un solitón disipativo estable de longitud de onda única, doble y triple en el láser. Su mecanismo de generación se remonta a la naturaleza del solitón disipativo. [18]
Rotación de polarización del solitón vectorial
En solitones escalares, la polarización de salida es siempre lineal debido a la existencia de un polarizador en cavidad. Pero para los solitones vectoriales, el estado de polarización puede girar arbitrariamente pero aún bloqueado en el tiempo de ida y vuelta de la cavidad o en un múltiplo entero del mismo. [19]
Solitón vectorial de orden superior
En los solitones vectoriales de orden superior, no solo los dos componentes del solitón polarizados ortogonalmente están bloqueados en fase, sino que también uno de los componentes tiene un perfil de intensidad de doble joroba. También se han obtenido en láseres múltiples de estos solitones vectoriales de alto orden bloqueados en fase con parámetros de solitones idénticos y bloqueo de modo armónico de los solitones vectoriales. Las simulaciones numéricas confirmaron la existencia de solitones vectoriales estables de orden superior en láseres de fibra. [6]
Solitón de pared de dominio óptico
Recientemente, un solitón de vector oscuro-oscuro bloqueado en fase solo se observó en láseres de fibra de dispersión positiva, se obtuvo un solitón de vector oscuro-brillante bloqueado en fase en láseres de fibra de dispersión positiva o negativa. Las simulaciones numéricas confirmaron las observaciones experimentales y mostraron además que los solitones vectoriales observados son los dos tipos de solitones de pared de dominio de polarización bloqueados en fase teóricamente predichos. [20]
Láser de fibra de solitón vectorial con grafeno de capa atómica
Excepto los espejos absorbedores saturables de semiconductores convencionales (SESAM), que utilizan pozos cuánticos múltiples semiconductores III-V cultivados en reflectores Bragg distribuidos (DBR), muchos investigadores han centrado su atención en otros materiales como absorbentes saturables. Especialmente porque hay una serie de inconvenientes asociados con los SESAM. Por ejemplo, los SESAM requieren sistemas de fabricación complejos y costosos basados en salas limpias, como la deposición de vapor químico metal-orgánico (MOCVD) o la epitaxia de haz molecular (MBE), y en algunos casos se necesita un proceso adicional de eliminación de sustrato; se requiere la implantación de iones pesados de alta energía para introducir sitios defectuosos con el fin de reducir el tiempo de recuperación del dispositivo (normalmente unos pocos nanosegundos) al régimen de picosegundos requerido para aplicaciones de bloqueo de modo láser de pulso corto; Dado que el SESAM es un dispositivo reflectante, su uso está restringido solo a ciertos tipos de topologías de cavidad lineal.
Otras topologías de cavidad láser, como el diseño de cavidad de anillo, que requiere un dispositivo de modo de transmisión, que ofrece ventajas como duplicar la tasa de repetición para una longitud de cavidad determinada, y que es menos sensible a la inestabilidad inducida por la reflexión con el uso de dispositivos ópticos. aisladores, no es posible a menos que se emplee un circulador óptico, lo que aumenta la pérdida de cavidades y la complejidad del láser; Los SESAM también sufren de un umbral de daño óptico bajo. Pero no había materiales absorbentes saturables alternativos para competir con los SESAM por el bloqueo de modo pasivo de los láseres de fibra.
Recientemente, en virtud de las propiedades de absorción saturable en nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) en la región del infrarrojo cercano con tiempos de recuperación de saturación ultrarrápidos de ~ 1 picosegundo, los investigadores han producido con éxito un nuevo tipo de absorbente saturable eficaz bastante diferente de los SESAM en estructura y fabricación y, de hecho, ha llevado a la demostración de láseres de fibra dopada con erbio (EDF) de pico o subpicosegundos. En estos láseres, se han formado absorbentes saturables de SWCNT sólidos mediante la deposición directa de películas de SWCNT sobre sustratos de vidrio planos, sustratos de espejo o las caras de los extremos de las fibras ópticas. Sin embargo, las propiedades quirales no uniformes de los SWNT presentan problemas inherentes para el control preciso de las propiedades del absorbente saturable. Además, la presencia de SWNT agrupados y entrelazados, partículas de catalizador y la formación de burbujas provocan pérdidas elevadas no saturables en la cavidad, a pesar del hecho de que el polímero anfitrión puede eludir algunos de estos problemas hasta cierto punto y facilitar la integración del dispositivo. Además, con pulsos ultracortos de gran energía se produce una oxidación inducida por el efecto multifotón, que degrada la estabilidad a largo plazo del absorbente.
El grafeno es una única capa atómica bidimensional (2D) de átomo de carbono dispuesta en una red hexagonal. Aunque como película aislada es un semiconductor de banda prohibida cero, se encuentra que, al igual que los SWCNT, el grafeno también posee absorción saturable. En particular, como no tiene banda prohibida, su absorción saturable es independiente de la longitud de onda. Es potencialmente posible usar grafeno o compuesto de polímero de grafeno para hacer un absorbente saturable de banda ancha para el bloqueo del modo láser. Además, en comparación con los SWCNT, como el grafeno tiene una estructura 2D, debería tener una pérdida no saturable mucho menor y un umbral de daño mucho más alto. De hecho, con un láser de fibra dopada con erbio, hemos logrado un bloqueo de modo de autoencendido y una emisión de pulso de solitón estable con alta energía.
Debido a las perfectas propiedades de absorción isotrópica del grafeno, los solitones generados podrían considerarse como solitones vectoriales. Cómo la evolución del vector solitón bajo la interacción del grafeno aún no estaba claro pero era interesante, particularmente porque involucraba la interacción mutua de ondas ópticas no lineales con los átomos, [21] [22] [23] que se destacó en Nature Asia Materials [ 24] y nanowerk. [25]
Además, el grafeno de capa atómica posee una absorción saturable ultrarrápida insensible a la longitud de onda, que puede explotarse como un bloqueador de modo de "banda completa". Con un modo láser de fibra de solitón disipativo dopado con erbio bloqueado con pocas capas de grafeno, se ha demostrado experimentalmente que se pueden obtener solitones disipativos con sintonización continua de longitud de onda de hasta 30 nm (1570 nm-1600 nm). [26]
Ver también
- Solitón
- Láser de fibra
- Sistema no lineal
- Compacton , un solitón con soporte compacto
- Clapotis
- Las ondas anormales pueden ser un fenómeno relacionado
- Oscillon
- Peakon , un solitón con pico no diferenciable
- Q-ball , un solitón no topológico
- Soliton (topológico)
- Soliton (óptica)
- Modelo de solitón de la propagación del impulso nervioso
- Solitón espacial
- Ondas solitarias en medios discretos [1]
- Número cuántico topológico
- Ecuación de Sine-Gordon
- Grafeno
- Ecuación de Schrödinger no lineal
Referencias
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