Solitón vectorial

En óptica física u óptica ondulatoria , 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 vectoriales ópticos 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 solitones 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 elípticamente.

CR Menyuk fue el primero en derivar la ecuación de propagación de pulsos no lineales en una fibra óptica monomodo (SMF) bajo birrefringencia débil. Luego, Menyuk describió los solitones vectoriales como dos solitones (llamados con más precisión ondas solitarias) con polarizaciones ortogonales que se propagan conjuntamente sin dispersar su energía y manteniendo 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 su velocidad de grupo y quedar atrapados juntos. ^[1]

Los solitones vectoriales pueden ser espaciales o temporales, y están formados por dos componentes polarizados ortogonalmente de un único campo óptico o dos campos de diferentes frecuencias pero la misma polarización.

En 1987, Menyuk derivó por primera vez la ecuación de propagación de pulsos no lineal en SMF bajo birrefringencia débil. Esta ecuación seminal abrió a los investigadores el nuevo campo de los solitones "escalares". 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 solitón vectorial. 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 vectorial bloqueado en fase en medios dispersivos birrefringentes, que ahora se conoce como solitón vectorial bloqueado en fase de orden superior en medios de dispersión de partículas pequeñas. Tiene dos componentes de polarización ortogonales con una intensidad comparable. A pesar de la existencia de birrefringencia, estas dos polarizaciones podrían propagarse con la misma velocidad de grupo a medida que desplazan sus frecuencias centrales. ^[2]

En 2000, Cundiff y Akhmediev descubrieron que estas dos polarizaciones podían formar no sólo un 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 vectorial, el "solitón vectorial inducido". Este tipo de solitón vectorial 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 los componentes de polarización fuerte y débil, también se podría formar 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]

Basándose en el trabajo clásico de Christodoulides y Joseph ^[5] , que trata de un solitón vectorial bloqueado en fase de orden superior en SMF, recientemente se ha creado un solitón vectorial bloqueado en fase de orden superior 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 además 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 no lineal de Schrödinger (NLSE) no logra describir la dinámica de los solitones, sino que se requieren dos NLSE acopladas. De este modo, se pueden obtener numéricamente solitones con dos modos de polarización.

Se observó por primera vez experimentalmente un nuevo patrón de bandas laterales espectrales en los espectros de solitones resueltos por polarización de los solitones vectoriales bloqueados por polarización de los 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 los dos componentes de polarización ortogonales de los solitones vectoriales. Las simulaciones numéricas también confirmaron que la formación del nuevo tipo de bandas laterales espectrales fue causada por la FWM entre los dos componentes de polarización. ^[7]

Dos solitones vectoriales adyacentes podrían formar un estado ligado. En comparación con los solitones ligados 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]

Los solitones oscuros ^[9] se caracterizan por formarse a partir de una reducción localizada de la 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 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 lo tanto, es interesante investigar cómo evoluciona el estado de polarización de estos dos componentes de polarización.

En 2009 se ha conseguido con éxito el primer láser de fibra de solitón oscuro en un láser de fibra dopado con erbio de dispersión totalmente normal con un polarizador en la cavidad. Experimentalmente se ha descubierto que, además de la emisión de pulsos brillantes, en condiciones adecuadas el láser de fibra también puede emitir pulsos oscuros individuales o múltiples. Basándonos en simulaciones numéricas, interpretamos la formación de pulsos oscuros en el láser como resultado de la formación de solitones oscuros. ^[11]

Un "solitón brillante" se caracteriza por un pico de intensidad localizado por encima de un fondo de onda continua (CW), mientras que un solitón oscuro se caracteriza por una caída de intensidad localizada por debajo de un fondo de onda continua (CW). "Solitón brillante oscuro vectorial" significa que un estado de polarización es un solitón brillante mientras que la otra polarización es un solitón oscuro. ^[12] Se han informado solitones brillantes oscuros vectoriales en DBVS espaciales acoplados incoherentemente en un medio autodesfocalizante y DBVS de onda de materia en condensados ​​de dos especies con interacciones de dispersión repulsiva, ^{[13] [14] [15]} pero nunca se verificaron en el campo de la fibra óptica.

Utilizando un láser de fibra de cavidad birrefringente, se puede formar un solitón vectorial 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, se inducirá un solitón débil a lo largo del eje de polarización ortogonal. La intensidad del componente débil en un solitón vectorial 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 confirmado mediante experimentos. ^[16]

Un solitón disipativo vectorial podría formarse en una cavidad láser con dispersión neta positiva, y su mecanismo de formación es un resultado natural de la interacción no lineal mutua entre la dispersión de cavidad normal, el efecto Kerr no lineal de fibra de cavidad, la saturación de ganancia 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 vectorial tiene un fuerte chirrido de frecuencia. Se desconoce si un solitón vectorial guiado por ganancia bloqueado en fase podría formarse en un láser de fibra: tanto el solitón vectorial disipativo con rotación de polarización como el bloqueado en fase se pueden formar en un láser de fibra con una gran dispersión de velocidad de grupo de cavidad normal neta. Además, también se pueden formar múltiples solitones disipativos vectoriales con parámetros de solitón idénticos y bloqueo de modo armónico al solitón vectorial disipativo convencional en un láser de fibra bloqueado en modo pasivo con un SESAM. ^[17]

Recientemente, se ha generado un solitón disipativo de múltiples longitudes de onda en un láser de fibra de dispersión totalmente normal bloqueado de modo pasivo con un SESAM. Se ha descubierto que, dependiendo de la birrefringencia de la cavidad, se puede formar un solitón disipativo estable de longitud de onda simple, doble y triple en el láser. Su mecanismo de generación se puede rastrear hasta la naturaleza del solitón disipativo. ^[18]

En los solitones escalares, la polarización de salida es siempre lineal debido a la existencia de un polarizador en la cavidad. Pero en el caso de los solitones vectoriales, el estado de polarización puede rotar arbitrariamente, pero aún así estar bloqueado en el tiempo de ida y vuelta de la cavidad o en un múltiplo entero del mismo. ^[19]

En los solitones vectoriales de orden superior, no solo los dos componentes del solitón polarizados ortogonalmente están bloqueados en fase, sino que además uno de los componentes tiene un perfil de intensidad de doble joroba. También se han obtenido múltiples solitones vectoriales de orden superior bloqueados en fase con parámetros de solitón idénticos y bloqueo de modo armónico de los solitones vectoriales en láseres. Las simulaciones numéricas confirmaron la existencia de solitones vectoriales de orden superior estables en láseres de fibra. ^[6]

Recientemente, un solitón vectorial oscuro-oscuro bloqueado en fase se observó únicamente en láseres de fibra de dispersión positiva, mientras que un solitón vectorial oscuro-brillante bloqueado en fase se obtuvo en láseres de fibra de dispersión positiva o negativa. Las simulaciones numéricas confirmaron las observaciones experimentales y demostraron además que los solitones vectoriales observados son los dos tipos de solitones de pared de dominio de polarización bloqueados en fase predichos teóricamente. ^[20]

A excepción de los espejos absorbentes saturables de semiconductores (SESAM) convencionales, que utilizan pozos cuánticos múltiples de semiconductores III-V desarrollados en reflectores Bragg distribuidos (DBR), muchos investigadores han centrado su atención en otros materiales como absorbentes saturables. Especialmente porque existen una serie de desventajas asociadas con los SESAM. Por ejemplo, los SESAM requieren sistemas de fabricación complejos y costosos basados ​​en salas blancas, como la deposición química en fase de vapor metalorgánica (MOCVD) o la epitaxia de haz molecular (MBE), y en algunos casos se necesita un proceso adicional de eliminación del sustrato; se requiere la implantación de iones pesados ​​de alta energía para introducir sitios defectuosos a fin de reducir el tiempo de recuperación del dispositivo (normalmente unos pocos nanosegundos) al régimen de picosegundos necesario para aplicaciones de bloqueo de modo de 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 en anillo, que requiere un dispositivo de modo de transmisión, que ofrece ventajas como duplicar la tasa de repetición para una longitud de cavidad dada y que es menos sensible a la inestabilidad inducida por reflexión con el uso de aisladores ópticos, no es posible a menos que se emplee un circulador óptico, que aumenta la pérdida de cavidad y la complejidad del láser; los SESAM también sufren de un umbral de daño óptico bajo. Pero no había materiales absorbentes saturables alternativos que compitieran con los SESAM para el bloqueo de modo pasivo de los láseres de fibra.

Recientemente, gracias a las propiedades de absorción saturables de los 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 cuanto a estructura y fabricación, y ha llevado, de hecho, 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 facetas finales de 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 enredados y agrupados, partículas de catalizador y la formación de burbujas provocan elevadas pérdidas no saturables en la cavidad, a pesar de que el polímero anfitrión puede evitar algunos de estos problemas hasta cierto punto y facilitar la integración del dispositivo. Además, bajo pulsos ultracortos de gran energía se produce una oxidación inducida por el efecto multifotón, que degrada la estabilidad a largo plazo del absorbedor.

El grafeno es una capa atómica bidimensional (2D) única de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal. Aunque como película aislada es un semiconductor de banda prohibida cero, se ha descubierto 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 utilizar grafeno o un compuesto de grafeno-polímero para fabricar un absorbente saturable de banda ancha para el bloqueo de modos 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 mayor. De hecho, con un láser de fibra dopado con erbio hemos conseguido un bloqueo de modos de autoinicio y una emisión de pulsos de solitones estable con alta energía.

Debido a las propiedades de absorción isotrópica perfectas del grafeno, los solitones generados podrían considerarse solitones vectoriales. La evolución del solitón vectorial bajo la interacción del grafeno aún no estaba clara, pero era interesante, en particular porque involucraba la interacción mutua de la onda óptica no lineal con los átomos, ^{[21] [22] [23]} lo cual fue destacado en Nature Asia Materials ^[24] y nanowerk. ^[25]

Además, el grafeno de capas atómicas posee una absorción saturable ultrarrápida insensible a la longitud de onda, que puede aprovecharse como bloqueador de modo de "banda completa". Con un modo de láser de fibra de solitones disipativos dopados con erbio bloqueado con grafeno de pocas capas, se ha demostrado experimentalmente que se pueden obtener solitones disipativos con sintonización de longitud de onda continua de hasta 30 nm (1570 nm-1600 nm). ^[26]

• Solitón
• Láser de fibra
• Sistema no lineal
• Compacton , un solitón con soporte compacto
• Clapotis
• Las olas gigantes pueden ser un fenómeno relacionado
• Oscilón
• Peakon , un solitón con un pico no diferenciable
• Q-ball , un solitón no topológico
• Solitón (topológico)
• Solitón (óptica)
• Modelo solitón de propagación del impulso nervioso
• Solitón espacial
• Ondas solitarias en medios discretos [1]
• Número cuántico topológico
• Ecuación de seno-Gordon
• Grafeno
• Ecuación no lineal de Schrödinger