Суперконтинуум - Supercontinuum
В оптике , А суперконтинуум образуются , когда совокупность нелинейных процессов действует совместно при пучке накачки для того , чтобы привести к серьезному расширению спектра исходного пучка накачки, например , с использованием микроструктурированного оптического волокна . В результате получается гладкий спектральный континуум (см. Типичный пример на рисунке 1). Нет единого мнения о том, насколько уширение составляет суперконтинуум; однако исследователи опубликовали работы, в которых утверждается, что уширение суперконтинуума составляет всего 60 нм. Также нет согласия относительно спектральной равномерности, необходимой для определения ширины полосы источника, причем авторы используют любое значение от 5 дБ до 40 дБ или более. Кроме того, сам термин суперконтинуум не получил широкого распространения до этого столетия, и многие авторы использовали альтернативные фразы для описания своих континуумов в 1970-х, 1980-х и 1990-х годах.
В последнее десятилетие разработка источников суперконтинуума превратилась в область исследований. Во многом это связано с новыми технологическими разработками, которые позволили создать более контролируемые и доступные суперконтинуумы. Это обновленное исследование позволило создать множество новых источников света, которые находят применение в самых разных областях, включая оптическую когерентную томографию , частотную метрологию, визуализацию времени жизни флуоресценции, оптическую связь, зондирование газа и многие другие. Применение этих источников создало петлю обратной связи, в результате которой ученые, использующие суперконтинуумы, требуют улучшенных настраиваемых континуумов в соответствии с их конкретными приложениями. Это побудило исследователей разработать новые методы для создания этих континуумов и разработать теории, чтобы понять их формирование и способствовать будущему развитию. В результате с 2000 года был достигнут быстрый прогресс в разработке этих источников. Хотя генерация суперконтинуума долгое время была прерогативой волокон, в последние годы интегрированные волноводы достигли совершеннолетия, чтобы производить чрезвычайно широкий спектр, открывая дверь для более экономичных , компактные, надежные, масштабируемые и производимые массово источники суперконтинуума.
Исторический обзор
1960-е и 1970-е годы
В 1964 году Джонс и Стойчев сообщили об использовании континуума, генерируемого мазером, для изучения наведенного рамановского поглощения в жидкостях на оптических частотах. В одной из первых публикаций Стойчева отмечалось, что «когда мазерное излучение находится в одной резкой спектральной линии, все линии излучения комбинационного рассеяния света были резкими; всякий раз, когда мазерное излучение содержало дополнительные компоненты, все линии излучения комбинационного рассеяния, за исключением первой линии Стокса , были значительно уширены, иногда до нескольких сотен см –1 ». Эти слабые континуумы, как они были описаны, позволили провести первые измерения спектроскопии комбинационного поглощения .
В 1970 году Альфано и Шапиро сообщили о первых измерениях частотного уширения в кристаллах и стеклах с использованием лазера с двойной синхронизацией мод на неодимовом стекле . Выходные импульсы составляли примерно 4 пс и имели энергию в импульсе 5 мДж. Образованные нити давали первые спектры белого света в диапазоне 400-700 нм, и авторы объяснили их формирование фазовой самомодуляцией и четырехволновым смешением . Сами по себе нити не использовались в качестве источника; тем не менее авторы предположили, что кристаллы могут оказаться полезными в качестве сверхбыстрых световых ворот. Альфано - первооткрыватель и изобретатель суперконтинуума в 1970 году с тремя основополагающими статьями в том же выпуске Phy Rev Letters (24, 592,584,1217 (1970)) об окончательном источнике белого света, теперь называемом суперконтинуумом.
Изучение атомных паров, органических паров и жидкостей с помощью спектроскопии комбинационного поглощения в течение 1960-х и 1970-х годов привело к развитию источников сплошных сред. К началу 1970-х годов континуумы, образованные импульсными лампами наносекундной длительности и запускаемой лазером пробойной искрой в газах, наряду с возбужденными лазером континуумами флуоресценции от сцинтилляционных красителей, использовались для изучения возбужденных состояний. У всех этих источников были проблемы; то, что требовалось, - это источник, производящий широкие непрерывные спектры на высоких уровнях мощности с разумной эффективностью. В 1976 году Лин и Столен сообщили о новом наносекундном источнике, который создавал континуумы с полосой пропускания 110–180 нм с центром на 530 нм при выходной мощности около кВт. В системе использовался лазер на красителях мощностью 10-20 кВт, генерирующий импульсы длительностью 10 нс с полосой пропускания 15-20 нм для накачки кварцевого волокна длиной 19,5 м и диаметром сердцевины 7 мкм. Им удалось добиться только КПД сцепления в районе 5-10%.
К 1978 году Лин и Нгуен сообщили о нескольких континуумах, в первую очередь о длине 0,7–1,6 мкм с использованием волокна из диоксида кремния, легированного GeO, длиной 315 м с сердечником 33 мкм. Оптическая установка была похожа на предыдущую работу Лина с Stolen, за исключением того, что в этом случае источником накачки был Nd: YAG-лазер с модуляцией добротности 150 кВт, 20 нс. В самом деле, у них была такая доступная мощность, что две трети были ослаблены, чтобы предотвратить повреждение волокна. 50 кВт, подключенные к оптоволокну, превратились в континуум мощностью 12 кВт. Линии Стокса были четко видны до 1,3 мкм, после чего континуум начал сглаживаться, за исключением больших потерь из-за поглощения воды на 1,38 мкм. Когда они увеличили мощность запуска сверх 50 кВт, они отметили, что континуум простирается вниз в зеленую часть видимого спектра. Однако более высокие уровни мощности быстро повредили их волокно. В той же статье они также накачивали одномодовое волокно с диаметром сердцевины 6 мкм и «длиной в несколько сотен метров». Он генерировал аналогичный континуум в диапазоне от 0,9 мкм до 1,7 мкм с уменьшенными пусковыми и выходными мощностями. Не осознавая этого, они также впервые сгенерировали оптические солитоны .
1980-е годы
В 1980 году Fujii et al. повторил установку Лина 1978 года с Nd: YAG с синхронизацией мод. Сообщалось, что пиковая мощность импульсов превышала 100 кВт, и они достигли более 70% эффективности связи в одномодовом волокне с сердечником 10 мкм, легированном Ge. Как ни странно, они не сообщали длительность своего пульса. Их спектр охватывал все спектральное окно в кремнеземе от 300 до 2100 нм. Авторы интересовались видимой стороной спектра и определили, что основным механизмом генерации является четырехволновое смешение накачки и рамановского стоксова излучения. Однако были и моды более высокого порядка, которые объяснялись генерацией суммарной частоты между линией накачки и стоксовой линией. Условие фазового синхронизма было выполнено за счет связи преобразованного с повышением частоты света и квазиконтинуума мод оболочки.
О дальнейшем продвижении сообщили Washio et al. в 1980 году, когда они накачали 150 м одномодового волокна Nd: YAG-лазером 1,34 мкм с модуляцией добротности. Это было как раз внутри режима аномальной дисперсии их волокна. В результате получился континуум размером от 1,15 до 1,6 мкм без дискретных линий Стокса.
До этого момента никто действительно не дал подходящего объяснения того, почему континуум сглаживается между линиями Стокса на более длинных волнах в волокнах. В большинстве случаев это объясняется солитонными механизмами; однако о солитонах в волокнах не сообщалось до 1985 года. Было установлено, что фазовая самомодуляция не может объяснить наблюдаемые широкие континуумы, но по большей части мало что было предложено в качестве объяснения.
В 1982 году Смирнов и др. сообщили о результатах, аналогичных результатам, полученным Лином в 1978 году. Используя многомодовые фосфосиликатные волокна с накачкой 0,53 и 1,06 мкм, они увидели нормальные стоксовы компоненты и спектр, который простирался от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Они подсчитали, что спектральное уширение из -за фазовой самомодуляции должно было составить 910 см -1 , но их континуум был больше 3000 см -1 . Они пришли к выводу, что «оптический континуум нельзя объяснить только фазовой самомодуляцией». Они продолжили, указав на трудности фазового согласования на длинных длинах волокна для поддержания четырехволнового смешения , и сообщили о необычном механизме повреждения (задним числом это, вероятно, можно было бы считать предохранителем очень короткого волокна). Они обращают внимание на гораздо более раннее предположение Лоя и Шена о том, что если наносекундные импульсы состояли из субнаносекундных всплесков в наносекундной огибающей, это могло бы объяснить широкий континуум.
Идея об очень коротких импульсах, приводящих к широкому континууму, была изучена год спустя, когда Fork et al. сообщили об использовании импульсов 80 фс от встречного лазера с синхронизацией мод. Длина волны лазера составляла 627 нм, и они использовали его для накачки струи этиленгликоля. Они коллимировали полученный континуум и измерили длительность импульса на разных длинах волн, отметив, что красная часть континуума находилась спереди импульса, а синяя - сзади. Они сообщили об очень слабом чириканье во всем континууме. Эти и другие наблюдения привели их к выводу, что фазовая самомодуляция с некоторой долей вероятности является доминирующим эффектом. Однако они также отметили, что их расчеты показали, что континуум оставался намного больше, чем позволяла фазовая самомодуляция, предполагая, что также должны присутствовать процессы четырехволнового смешения. Они заявили, что с помощью фемтосекундного источника гораздо проще создать надежный, воспроизводимый континуум . В последующие годы этот источник получил дальнейшее развитие и использовался для исследования других жидкостей.
В том же году Накадзава и Токуда сообщили об использовании двух переходов в Nd: YAG на 1,32 и 1,34 мкм для одновременной накачки многомодового волокна на этих длинах волн. Они приписали непрерывный спектр комбинации принудительного четырехволнового смешения и суперпозиции последовательного вынужденного комбинационного рассеяния света . Основным преимуществом этого было то, что они могли генерировать континуум при относительно низких мощностях накачки в несколько кВт по сравнению с предыдущими работами.
В период с начала до конца 1980-х годов Альфано, Хо, Коркум, Манасса и другие провели множество экспериментов, хотя очень мало из них касались волокон. Большая часть работ была сосредоточена на использовании более быстрых источников (10 пс и ниже) для накачки различных кристаллов, жидкостей, газов и полупроводников с целью создания континуумов в основном в видимой области. Фазовая самомодуляция обычно использовалась для объяснения процессов, хотя с середины 1980-х годов предлагались другие объяснения, включая перекрестную фазовую модуляцию генерации второй гармоники и индуцированную фазовую модуляцию. Действительно, были предприняты попытки объяснить, почему фазовая самомодуляция может привести к гораздо более широким континуумам, в основном за счет модификаций теории, включая такие факторы, как медленно меняющаяся огибающая амплитуды среди других.
В 1987 году Gomes et al. сообщили о каскадном вынужденном комбинационном рассеянии света в одномодовом волокне на основе фосфосиликата . Они накачивали волокно Nd: YAG с модуляцией добротности и синхронизацией мод, который давал импульсы 130 пс с пиковой мощностью 700 кВт. Они выделили до 56 кВт в волокно, и в результате фосфора достигли гораздо более широкого и плоского континуума, чем это было достигнуто до того момента с кварцевым волокном. Год спустя Gouveia-Neto et al. из той же группы опубликовала статью, описывающую образование и распространение солитонных волн от модуляционной неустойчивости. Они использовали 1,32 мкм Nd: YAG-лазер, который генерировал импульсы 100 пс с пиковой мощностью 200 Вт, для накачки 500 м одномодового волокна с диаметром сердцевины 7 мкм. Длина волны нулевой дисперсии волокна составляла 1,30 мкм, что помещало накачку как раз в режим аномальной дисперсии. Они отметили импульсы, возникающие с длительностью менее 500 фс (солитоны), и по мере увеличения мощности накачки формировался континуум протяженностью от 1,3 до 1,5 мкм.
1990-е годы
Гросс и др. в 1992 г. опубликовал работу, моделирующую формирование суперконтинуума (в области аномальной дисперсии групповой скорости) при генерации фемтосекундными импульсами в волокне. На тот момент это была самая полная модель, в которой фундаментальные солитоны и солитонный сдвиг собственной частоты возникали как решения уравнений.
Применимость суперконтинуума для использования в системах с мультиплексированием по длине волны (WDM) для оптической связи интенсивно исследовалась в 1990-х годах. В 1993 году Мориока и др. сообщили о схеме мультиплексирования каналов со 100 длинами волн, которая одновременно генерирует сто импульсов длительностью 10 пс в спектральной области 1,224–1,394 мкм со спектральным интервалом 1,9 нм. Они создали суперконтинуум с помощью насоса Nd: YLF с центром на 1,314 мкм, который был синхронизирован по модам для получения импульсов 7,6 пс. Затем они отфильтровали полученный континуум с помощью двулучепреломляющего волокна для создания каналов.
Мориока и Мори продолжали развитие телекоммуникационных технологий с использованием генерации суперконтинуума на протяжении 1990-х годов до наших дней. Их исследования включали: использование суперконтинуума для измерения дисперсии групповой скорости в оптических волокнах; демонстрация системы WDM на базе 1 Тбит / с; и, совсем недавно, 1000-канальная система плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM), способная к скорости 2,8 Тбит / с, с использованием суперконтинуума шириной фракционно более 60 нм.
О первой демонстрации волоконного суперконтинуума с накачкой волоконным лазером сообщили Черников и др. в 1997 году они использовали распределенных обратного рассеяния для достижения пассивной модуляцией добротности в одномодовом иттербия и эрбия -легированный волокон. Пассивная модуляция добротности генерировала импульсы с пиковой мощностью 10 кВт и длительностью 2 нс. Полученный континуум растянулся от 1 мкм до края окна из диоксида кремния на 2,3 мкм. Были видны первые три линии Стокса, а континуум растянулся примерно до 0,7 мкм, но при значительно сниженных уровнях мощности.
Прогресс с 2000 года
Успехи, достигнутые в 1980-х годах, означали, что стало ясно, что для получения наиболее широких континуумов в волокне наиболее эффективна накачка в режиме аномальной дисперсии. Однако было трудно извлечь выгоду из этого с помощью лазеров с высокой мощностью 1 мкм, поскольку оказалось чрезвычайно сложно достичь длины волны нулевой дисперсии, намного меньшей, чем 1,3 мкм в обычном кварцевом волокне. Решение появилось с изобретением фотонно-кристаллических волокон (ФКВ) в 1996 году Knight et al. Свойства PCF подробно обсуждаются в другом месте, но они обладают двумя свойствами, которые делают PCF отличной средой для генерации суперконтинуума, а именно: высокая нелинейность и настраиваемая длина волны с нулевой дисперсией. Среди первых был Ранка и др. в 2000 году, который использовал 75 см PCF с нулевой дисперсией на 767 нм и диаметром сердцевины 1,7 мкм. Они накачивали волокно импульсами 100 фс, 800 пДж на длине волны 790 нм, чтобы получить плоский континуум от 400 до 1450 нм.
За этой работой последовала другая накачка ФК-волокна малой длины с нулевой дисперсией около 800 нм с помощью мощных фемтосекундных Ti: сапфировых лазеров. Lehtonen et al. исследовали влияние поляризации на формирование континуумов в двулучепреломляющем ПК-волокне, а также изменение длины волны накачки (728-810 нм) и длительности импульса (70-300 фс). Они обнаружили, что лучшие континуумы формировались внутри аномальной области с импульсами 300 фс. Более короткие импульсы приводили к четкому разделению солитонов, которые были видны на спектральном выходе. Herrmann et al. обеспечили убедительное объяснение развития фемтосекундных суперконтинуумов, в частности, уменьшение солитонов от высоких порядков до фундаментального и образование дисперсионных волн во время этого процесса. С тех пор были разработаны и продемонстрированы полностью интегрированные в оптоволокно фемтосекундные источники.
С 2000 года разрабатывались и другие направления: источники суперконтинуума, работающие в пикосекундном, наносекундном и непрерывном режимах; разработка волокон с включением новых материалов, технологий производства и конусов; новые методы создания более широких континуумов; новые уравнения распространения для описания суперконтинуума в фотонных нанопроводах, а также разработка численных моделей для объяснения и помощи в понимании генерации суперконтинуума. К сожалению, подробное обсуждение этих достижений выходит за рамки данной статьи, но читатель может обратиться к отличной обзорной статье Дадли и др.
Генерация суперконтинуума в интегрированных фотонных платформах
В то время как оптические волокна были рабочей лошадкой для генерации суперконтинуума с момента его создания, источники суперконтинуума на основе интегрированных волноводов стали активной областью исследований в двадцать первом веке. Эти платформы в масштабе микросхемы обещают миниатюризировать источники суперконтинуума в устройства, которые будут компактными, надежными, масштабируемыми, производимыми для массового производства и более экономичными. Такие платформы также позволяют проектировать дисперсию за счет изменения геометрии поперечного сечения волновода. Кремниевые основы материалы , такие как диоксид кремния , нитрида кремния , кристаллического и аморфного кремния показали поколение суперконтинуум остовного видимые, ближней инфракрасной и средней инфракрасной области электромагнитного спектра. По состоянию на 2015 год самый широкий суперконтинуум, генерируемый на чипе, простирается от 470 нм в видимом диапазоне до 2130 нм в инфракрасном диапазоне длин волн.
Описание динамики образования континуума в волокне.
В этом разделе мы кратко обсудим динамику двух основных режимов генерации суперконтинуума в волокне. Как указывалось ранее, суперконтинуум возникает в результате взаимодействия многих нелинейных процессов, вызывающих обширное спектральное уширение. Многие из этих процессов, такие как фазовая самомодуляция, четырехволновое смешение и динамика на основе солитонов, были хорошо изучены по отдельности в течение некоторого времени. Прорыв в последние годы связан с пониманием и моделированием того, как все эти процессы взаимодействуют вместе, чтобы генерировать суперконтинуумы, и как параметры могут быть спроектированы для улучшения и управления формированием континуума. Два основных режима - это режим деления солитонов и режим модуляционной неустойчивости. Можно считать, что физические процессы очень похожи, и описания действительно позволяют нам различать процессы, которые приводят к формированию континуума при различных условиях накачки. Также рассматривается третий режим - накачка в области нормальной дисперсии . Это совершенно жизнеспособный способ создания суперконтинуума. Однако с помощью этого метода невозможно создать такую же полосу пропускания.
Режим деления солитонов
В режиме солитонного деления короткий мощный фемтосекундный импульс запускается в PCF или другое высоконелинейное волокно. Фемтосекундный импульс можно рассматривать как солитон высокого порядка, следовательно, он быстро уширяется, а затем делится на фундаментальные солитоны. В процессе деления избыточная энергия выделяется в виде дисперсионных волн на коротковолновой стороне. Обычно эти дисперсионные волны не претерпевают дальнейшего сдвига, и, таким образом, протяженность до накачки зависит от того, насколько широко солитон расширяется при дыхании. Затем фундаментальные солитоны подвергаются внутриимпульсному комбинационному рассеянию и сдвигаются в сторону более длинных волн (также известного как сдвиг собственной частоты солитона), создавая длинноволновую сторону континуума. Для солитонного рамановского континуума возможно взаимодействие с дисперсионным излучением посредством четырехволнового смешения и кросс-фазовой модуляции. При определенных обстоятельствах эти дисперсионные волны могут быть связаны с солитонами через эффект захвата солитонов. Этот эффект означает, что по мере смещения собственной частоты солитона в сторону более длинных волн связанная дисперсионная волна смещается в сторону более коротких длин волн в соответствии с условиями согласования групповых скоростей. Как правило, этот механизм захвата солитонов позволяет континууму расширяться до более коротких длин волн, чем это возможно с помощью любого другого механизма.
Первый суперконтинуум, созданный в PCF, работал в этом режиме, и во многих последующих экспериментах также использовались ультракороткие импульсные фемтосекундные системы в качестве источника накачки. Одним из основных преимуществ этого режима является то, что континуум часто демонстрирует высокую степень временной когерентности, кроме того, можно генерировать широкие суперконтинуумы на очень коротких отрезках ПКФ. К недостаткам можно отнести невозможность масштабирования до очень высоких средних мощностей в континууме, хотя ограничивающим фактором здесь являются доступные источники накачки; и обычно спектр не является гладким из-за локализованного характера спектральных компонентов, которые его генерируют.
Будет ли этот режим доминирующим, можно определить по параметрам импульса и волокна. Мы можем определить длину деления солитона, чтобы оценить длину, на которой достигается максимальное сжатие солитона, так что:
где - характерная дисперсионная длина, - порядок солитона. Поскольку деление имеет тенденцию происходить на этой длине, то при условии, что она короче длины волокна и других характерных масштабов длины, таких как длина модуляционной нестабильности , деление будет преобладать.
Режим модуляционной неустойчивости
Модуляционная неустойчивость (МИ) приводит к распаду непрерывных волновых (CW) или квазинепрерывных волновых полей, которые становятся цепочкой фундаментальных солитонов. Важно подчеркнуть, что солитоны, генерируемые в этом режиме, имеют фундаментальное значение, поскольку в нескольких статьях по формированию непрерывного и квазинепрерывного суперконтинуума генерация коротковолновых волн аккредитована как деление солитонов и генерация дисперсионных волн, как описано выше. Подобно режиму деления солитонов длинноволновая сторона континуума генерируется солитонами, претерпевающими внутриимпульсное рамановское рассеяние и собственно-частотный сдвиг в сторону более длинных волн. Поскольку процесс MI управляется шумом, создается распределение солитонов с разными энергиями, что приводит к разным скоростям собственного сдвига частоты. Конечный результат состоит в том, что солитонно-рамановский континуум, управляемый МИ, имеет тенденцию быть спектрально более гладким, чем генерируемые в режиме деления. Коротковолновая генерация осуществляется за счет четырехволнового смешения, особенно для более высоких пиковых мощностей в квазинепрерывном режиме. В режиме чистого непрерывного излучения только недавно была достигнута коротковолновая генерация на длинах волн короче, чем у источника накачки 1 мкм. В этом случае было показано, что захват солитонов играет роль в генерации коротковолновых волн в режиме ИМ.
Континуум будет иметь место только в режиме MI, если параметры волокна и поля таковы, что MI формируется и преобладает над другими процессами, такими как деление. Аналогично режиму деления конструктивно разработать характерный масштаб длины для MI :
где - уровень фонового шума ниже уровня пиковой мощности. Уравнение по существу является мерой длины, необходимой для усиления MI для усиления фонового квантового шума в солитоны. Обычно этот дробовой шум принимается на ~ 200 дБ ниже. При условии, что МИ будет преобладать над делением солитонов в квазинепрерывном случае, и это условие может быть выражено как:
Средний член уравнения - это просто уравнение солитона. Для доминирования МИ нам нужно, чтобы левая часть была намного меньше правой, что означает, что порядок солитонов должен быть намного больше, чем 4. На практике эта граница была установлена как приближенная . Таким образом, мы видим, что именно ультракороткие импульсы приводят к механизму деления солитонов.
Прокачка в режиме нормального диспергирования
Два описанных выше режима предполагают, что насос находится в области аномальной дисперсии. Возможно создание суперконтинуума в нормальной области, и на самом деле многие из ранних результатов, обсуждаемых в историческом обзоре, были накачаны в режиме нормальной дисперсии. Если входные импульсы достаточно короткие, фазовая самомодуляция может привести к значительному уширению, когерентному во времени. Однако, если импульсы не сверхкороткие, то стимулированное комбинационное рассеяние имеет тенденцию преобладать, и обычно появляется серия каскадных дискретных стоксовых линий, пока не будет достигнута длина волны с нулевой дисперсией. В этот момент может образоваться солитонный рамановский континуум. Поскольку накачка аномального излучения намного эффективнее для генерации континуума, большинство современных источников избегают накачки в режиме нормальной дисперсии.