В оптике суперконтинуум образуется, когда совокупность нелинейных процессов совместно воздействует на луч накачки, чтобы вызвать сильное спектральное расширение исходного луча накачки, например, с использованием микроструктурированного оптического волокна . В результате получается гладкий спектральный континуум (типичный пример см. на рисунке 1). Нет единого мнения относительно того, насколько расширение представляет собой суперконтинуум; однако исследователи опубликовали работу, утверждающую, что расширение суперконтинуума составляет всего 60 нм. [1] Также нет согласия относительно спектральной равномерности, необходимой для определения полосы пропускания источника: авторы используют диапазон 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 развитие источников суперконтинуума стало областью исследований. [2] Во многом это связано с новыми технологическими разработками, которые позволили более контролируемую и доступную генерацию суперконтинуумов. Это возобновленное исследование привело к созданию множества новых источников света, которые находят применение в самых разных областях, включая оптическую когерентную томографию , [3] [4] частотную метрологию, [5] [6] [7] визуализацию времени жизни флуоресценции, [ 8] оптическая связь, [1] [9] [10] газоанализатор [11] [12] [13] и многие другие. Применение этих источников создало петлю обратной связи, в результате которой учёные, использующие суперконтинуумы, требуют, чтобы континуумы были лучше настраиваемы в соответствии с их конкретными приложениями. Это побудило исследователей разработать новые методы создания этих континуумов и разработать теории, позволяющие 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 и позволяют создавать чрезвычайно широкие спектры, открывая двери для более экономичных технологий. компактные, надежные, масштабируемые и массово производимые источники суперконтинуума. [14] [15]
В 1964 году Джонс и Стойчев [16] сообщили об использовании континуумов, генерируемых мазером, для изучения наведенного комбинационного рассеяния света в жидкостях на оптических частотах. В ранней публикации Стойчева [17] было отмечено , что «когда мазерное излучение имело одну резкую спектральную линию, все линии рамановского излучения были резкими; всякий раз, когда мазерное излучение содержало дополнительные компоненты, все линии рамановского излучения за исключением первой линии Стокса , были значительно уширены, иногда до нескольких сотен см -1 ». [16] Эти слабые континуумы, как они были описаны, позволили провести первые измерения спектроскопии комбинационного поглощения.
В 1970 году Альфано и Шапиро сообщили о первых измерениях расширения частоты в кристаллах и стеклах с использованием лазера с удвоенной частотой Nd:Glass с синхронизацией мод . Выходные импульсы имели длительность около 4 пс и энергию в импульсе 5 мДж. Образовавшиеся нити дали первые спектры белого света в диапазоне 400-700 нм, и авторы объяснили их формирование автофазовой модуляцией и четырехволновым смешением . Сами нити в качестве источника не представляли никакой реальной пользы; тем не менее авторы предположили, что кристаллы могут оказаться полезными в качестве сверхбыстрых световых ворот. [18] [19] Альфано является первооткрывателем и изобретателем суперконтинуума. В 1970 году он опубликовал три основополагающие статьи в одном выпуске Phy Rev Letters (24, 592,584,1217 (1970)) об абсолютном источнике белого света, который теперь называется суперконтинуумом.
Исследование атомных паров, органических паров и жидкостей с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света в 1960-х и 1970-х годах способствовало развитию источников сплошной среды. К началу 1970-х годов для изучения возбужденных состояний стали использоваться континуумы, образованные лампами-вспышками наносекундной длительности и искрами пробоя, вызванными лазером, а также континуумы лазерно-возбуждаемой флуоресценции сцинтилляционных красителей. [20] У всех этих источников были проблемы; требовался источник, который производил бы широкие континуумы 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 длине волны 530 нм при выходной мощности около кВт. [20] В системе использовался лазер на красителе мощностью 10–20 кВт, производящий импульсы длительностью 10 нс и шириной полосы 15–20 нм для накачки кварцевого волокна длиной 19,5 м и диаметром сердцевины 7 мкм. Им удалось обеспечить эффективность связи лишь в районе 5-10%.
К 1978 году Лин и Нгуен сообщили о нескольких континуумах, в первую очередь об одном, простирающемся от 0,7 до 1,6 мкм, с использованием кварцевого волокна длиной 315 м, легированного GeO, с сердцевиной 33 мкм. [21] Оптическая установка была аналогична предыдущей работе Лина со «Столеном», за исключением того, что в данном случае источником накачки был Nd:YAG-лазер с модуляцией добротности мощностью 150 кВт, длительностью 20 нс. Действительно, им было доступно так много мощности, что две трети были ослаблены, чтобы предотвратить повреждение волокна. 50 кВт, подключенные к оптоволокну, превратились в континуум 12 кВт. Линии Стокса были четко видны до 1,3 мкм, после чего континуум начал сглаживаться, за исключением больших потерь из-за водопоглощения при 1,38 мкм. Когда они увеличили мощность запуска выше 50 кВт, они заметили, что континуум простирается до зеленой части видимого спектра. Однако более высокие уровни мощности быстро повредили их волокно. В той же статье они также накачали одномодовое волокно с диаметром сердцевины 6 мкм и «длиной несколько сотен метров». Он создал аналогичный континуум в диапазоне от 0,9 мкм до 1,7 мкм с уменьшенной пусковой и выходной мощностью. Сами того не осознавая, они также впервые сгенерировали оптические солитоны .
В 1980 году Фуджи и др. повторил установку Линя 1978 года с Nd:YAG с синхронизацией мод. [22] Сообщалось, что пиковая мощность импульсов превышала 100 кВт, и они достигли эффективности связи более 70% с одномодовым волокном с сердцевиной 10 мкм, легированным Ge. Необычно то, что они не сообщили о продолжительности своего пульса. Их спектр охватывал все спектральное окно кремнезема от 300 до 2100 нм. Авторы интересовались видимой стороной спектра и определили, что основным механизмом генерации является четырехволновое смешение накачки и генерируемого Стоксом комбинационного рассеяния. Однако существовало несколько мод более высокого порядка, которые были связаны с генерацией суммарной частоты между линиями накачки и стоксами. Условие фазового синхронизма достигалось за счет связи преобразованного с повышением частоты света и квазиконтинуума оболочечных мод.
О дальнейшем прогрессе сообщили Washio et al. [23] в 1980 году, когда они накачали 150 м одномодового волокна с помощью Nd:YAG-лазера с модуляцией добротности длиной волны 1,34 мкм. Это было как раз в пределах аномального режима дисперсии их волокна. В результате получился континуум шириной от 1,15 до 1,6 мкм, в котором не было дискретных линий Стокса.
До этого момента никто по-настоящему не дал подходящего объяснения, 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. [24] [25] Стало понятно, что автофазовая модуляция не может объяснить наблюдаемые широкие континуумы, но по большей части в качестве объяснения было предложено мало что еще.
В 1982 г. Смирнов и др. [26] сообщили о результатах, аналогичных результатам, достигнутым Линем в 1978 году. Используя многомодовые фосфоросиликатные волокна с накачкой на длине волны 0,53 и 1,06 мкм, они увидели нормальные стоксовы компоненты и спектр, простирающийся от ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона. Они подсчитали, что спектральное уширение из-за фазовой автомодуляции должно было составлять 910 см -1 , но их континуум превышал 3000 см -1 . Они пришли к выводу, что «оптический континуум нельзя объяснить одной лишь автофазовой модуляцией». Далее они указали на трудности фазового согласования на длинных длинах волокон для поддержания четырехволнового смешивания и сообщили о необычном механизме повреждения (оглядываясь назад, это, вероятно, можно было бы считать перегоранием очень короткого волокна). Они отмечают гораздо более раннее предположение Лоя и Шена [27] о том, что если бы наносекундные импульсы состояли из субнаносекундных импульсов в наносекундной огибающей, это могло бы объяснить широкий континуум.
Идея очень коротких импульсов, приводящих к образованию широкого континуума, была изучена годом позже, когда Форк и др. [28] сообщили об использовании импульсов длительностью 80 фс от встречного лазера с синхронизацией мод. [29] Длина волны лазера составляла 627 нм, и они использовали ее для накачки струи этиленгликоля. Они коллимировали полученный континуум и измерили длительность импульса на разных длинах волн, отметив, что красная часть континуума находилась в передней части импульса, а синяя — в задней. Они сообщили об очень слабом чирикании по всему континууму. Эти и другие наблюдения привели их к выводу, что автофазовая модуляция в некоторой степени является доминирующим эффектом. Однако они также отметили, что их расчеты показали, что континуум остается намного больше, чем позволяет фазовая самомодуляция, что позволяет предположить, что также должны присутствовать процессы четырехволнового смешивания. Они заявили, что гораздо проще создать надежный и повторяемый континуум, используя фемтосекундный источник. В последующие годы этот источник получил дальнейшее развитие и использовался для исследования других жидкостей. [30]
В том же году Наказава и Токуда сообщили об использовании двух переходов в Nd:YAG на длинах волн 1,32 и 1,34 мкм для одновременной накачки многомодового волокна на этих длинах волн. Они объяснили непрерывный спектр комбинацией принудительного четырехволнового смешения и суперпозиции последовательного вынужденного комбинационного рассеяния света . Основным преимуществом этого было то, что они смогли генерировать непрерывный поток при относительно низкой мощности накачки в несколько кВт по сравнению с предыдущими работами. [31]
В период с начала до конца 1980-х годов Альфано, Хо, Коркум, Манасса и другие провели множество экспериментов, хотя очень немногие из них включали волокна. Большая часть работ была сосредоточена на использовании более быстрых источников (10 пс и ниже) для накачки различных кристаллов, жидкостей, газов и полупроводников с целью генерации континуумов преимущественно в видимой области. [32] Для объяснения этих процессов обычно использовалась автофазовая модуляция, хотя с середины 1980-х годов предлагались и другие объяснения, включая перекрестно-фазовую модуляцию генерации второй гармоники [33] и индуцированную фазовую модуляцию. [34] Действительно, были предприняты попытки объяснить, почему автофазовая модуляция вполне может привести к гораздо более широким континуумам, в основном за счет модификаций теории путем включения таких факторов, как медленно меняющаяся огибающая амплитуды среди других. [35] [36]
В 1987 году Гомес и др. [37] сообщили о каскадном вынужденном комбинационном рассеянии света в одномодовом волокне на основе фосфоросиликата . Они накачивали волокно с помощью Nd:YAG с модуляцией добротности и синхронизацией мод, который производил импульсы длительностью 130 пс с пиковой мощностью 700 кВт. Они подали в волокно мощность до 56 кВт и в результате фосфора добились гораздо более широкого и плоского континуума, чем это было достигнуто до этого момента с кварцевым волокном. Год спустя Гувея-Нето и др. [38] из той же группы опубликовали работу, описывающую образование и распространение солитонных волн в результате модуляционной неустойчивости. Они использовали Nd:YAG-лазер с длиной волны 1,32 мкм, который производил импульсы длительностью 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 появление импульсов длительностью менее 500 фс (солитонов), а по мере увеличения мощности накачки формировался континуум протяженностью от 1,3 до 1,5 мкм.
Гросс и др. в 1992 году опубликовал статью, моделирующую образование суперконтинуумов (в области дисперсии аномальной групповой скорости) при генерации фемтосекундными импульсами в оптоволокне. На тот момент это была наиболее полная модель, в которой фундаментальные солитоны и сдвиг собственной частоты солитонов появлялись в качестве решений уравнений. [39]
Применимость суперконтинуумов для использования в системах мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) для оптической связи тщательно исследовалась в 1990-х годах. В 1993 году Мориока и др. [9] сообщили о схеме мультиплексирования каналов на 100 длин волн, которая одновременно создавала сто импульсов длительностью 10 пс в области спектра 1,224–1,394 мкм со спектральным интервалом 1,9 нм. Они создали суперконтинуум, используя насос Nd:YLF с центром на длине волны 1,314 мкм, который был синхронизирован по моде для создания импульсов длительностью 7,6 пс. Затем они отфильтровали полученный континуум с помощью двулучепреломляющего волокна, чтобы создать каналы.
Мориока и Мори продолжали разработку телекоммуникационных технологий, использующих генерацию суперконтинуума, на протяжении 1990-х годов и по сей день. Их исследования включали: использование суперконтинуума для измерения дисперсии групповой скорости в оптических волокнах; [40] демонстрация системы WDM на базе 1 Тбит/с; [10] и совсем недавно 1000-канальная система плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM), обеспечивающая скорость 2,8 Тбит / с, с использованием суперконтинуума шириной чуть более 60 нм. [1]
О первой демонстрации волоконного суперконтинуума, накачиваемого волоконным лазером, сообщили Черников и др. [41] в 1997 году. Они использовали распределенное обратное рассеяние для достижения пассивной модуляции добротности в одномодовых волокнах, легированных иттербием и эрбием . Пассивная модуляция добротности давала импульсы пиковой мощностью 10 кВт и длительностью 2 нс. Полученный континуум простирался от 1 мкм до края кварцевого окна на 2,3 мкм. Первые три линии Стокса были видны, а континуум растянулся примерно до 0,7 мкм, но при значительно сниженных уровнях мощности.
Достижения, достигнутые в 1980-х годах, означали, что стало ясно, что для получения максимально широких континуумов в волокне наиболее эффективно накачивать режим аномальной дисперсии. Однако было трудно извлечь выгоду из этого с помощью мощных лазеров с длиной волны 1 мкм, поскольку оказалось чрезвычайно сложно достичь длины волны нулевой дисперсии намного меньше 1,3 мкм в обычном кварцевом волокне. Решение появилось с изобретением фотонно-кристаллических волокон (ФКП) в 1996 году Найт и др. [42] Свойства PCF подробно обсуждаются в другом месте, но у них есть два свойства, которые делают PCF превосходной средой для генерации суперконтинуума, а именно: высокая нелинейность и настраиваемая длина волны с нулевой дисперсией. Среди первых был Ранка и др. в 2000 г. [5] использовали ПКФ длиной 75 см с нулевой дисперсией на длине волны 767 нм и диаметром сердцевины 1,7 мкм. Они накачивали волокно импульсами длительностью 100 фс и 800 пДж при длине волны 790 нм, чтобы создать плоский континуум в диапазоне от 400 до 1450 нм.
За этой работой последовали другие, накачивавшие короткие участки PCF с нулевой дисперсией около 800 нм с помощью мощных фемтосекундных Ti:сапфировых лазеров. Лехтонен и др. В работе [43] изучено влияние поляризации на формирование континуумов в двулучепреломляющем ПКФ, 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 длительностью 300 фс. Более короткие импульсы привели к четкому разделению солитонов, которые были видны на спектральном выходе. Херрманн и др. предоставил убедительное объяснение развития фемтосекундных суперконтинуумов, в частности, редукции солитонов от высоких порядков до фундаментальных и образования дисперсионных волн во время этого процесса. [44] [45] С тех пор были разработаны и продемонстрированы полностью интегрированные по оптоволокну фемтосекундные источники. [46] [47]
Другие области разработок с 2000 года включают: 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 нанонитях, [48] и разработка численных моделей для объяснения и помощи в понимании генерации суперконтинуума. К сожалению, подробное обсуждение этих достижений выходит за рамки этой статьи, но мы отсылаем читателя к превосходной обзорной статье Дадли и др. [49]
В то время как оптические волокна были рабочей лошадкой генерации суперконтинуума с момента их создания, источники суперконтинуума на основе интегрированных волноводов стали активной областью исследований в двадцать первом веке. Эти платформы размером с чип обещают миниатюризировать источники суперконтинуума в устройства, которые будут компактными, надежными, масштабируемыми, массово производимыми и более экономичными. Такие платформы также позволяют создавать дисперсию за счет изменения геометрии поперечного сечения волновода. Материалы на основе кремния , такие как кремнезем , [50] нитрид кремния , [51] [52] кристаллический и аморфный [53] [54] кремний, продемонстрировали генерацию суперконтинуума, охватывающего видимый, [55] ближний инфракрасный [55] [56] и средние инфракрасные [56] [57] 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. [58]
В этом разделе мы кратко обсудим динамику двух основных режимов генерации суперконтинуумов в волокне. Как утверждалось ранее, суперконтинуум возникает в результате взаимодействия многих нелинейных процессов, вызывая значительное расширение спектра. Многие из этих процессов, такие как автофазовая модуляция, четырехволновое смешение и динамика на основе солитонов, в течение некоторого времени были хорошо изучены по отдельности. Прорывы последних лет связаны с пониманием и моделированием того, как все эти процессы взаимодействуют вместе, образуя суперконтинуумы, и как можно спроектировать параметры для улучшения и контроля формирования континуума. Двумя основными режимами являются режим солитонного деления и режим модуляционной неустойчивости. Физические процессы можно считать весьма схожими, и описания действительно позволяют нам различать процессы, которые приводят к образованию континуума при различных условиях накачки. Рассмотрен также третий режим — накачка в области нормальной дисперсии . Это вполне жизнеспособный способ создания суперконтинуума. Однако с помощью этого метода невозможно создать одинаковые полосы пропускания.
В режиме солитонного деления короткий мощный фемтосекундный импульс подается в PCF или другое сильно нелинейное волокно. Фемтосекундный импульс можно рассматривать как солитон высокого порядка, следовательно, он быстро уширяется, а затем распадается на фундаментальные солитоны. В процессе деления избыточная энергия теряется в виде дисперсионных волн на коротковолновой стороне. Обычно эти дисперсионные волны не претерпевают дальнейшего смещения [49] , и, таким образом, протяженность за пределами накачки зависит от того, насколько широко расширяется солитон при дыхании. [59] [60] Затем фундаментальные солитоны подвергаются внутриимпульсному комбинационному рассеянию и сдвигаются в сторону более длинных волн (также известный как сдвиг собственной частоты солитона), создавая длинноволновую сторону континуума. Солитонный комбинационный континуум может взаимодействовать с дисперсионным излучением посредством четырехволнового смешения [61] и кросс-фазовой модуляции. [62] При определенных обстоятельствах эти дисперсионные волны могут быть связаны с солитонами посредством эффекта захвата солитонов. [63] [64] Этот эффект означает, что по мере того, как собственная частота солитона смещается в сторону более длинных волн, связанная дисперсионная волна смещается в сторону более коротких волн, как это диктуется 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.
В этом режиме работал первый суперконтинуум, генерируемый в ПКФ [5] , и во многих последующих экспериментах в качестве источника накачки также использовались ультракороткоимпульсные фемтосекундные системы. [49] Одним из основных преимуществ этого режима является то, что континуум часто демонстрирует высокую степень временной когерентности, [49] кроме того, можно генерировать широкие суперконтинуумы на очень коротких участках ПКФ. К недостаткам относятся 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 локализованной природы спектральных компонентов, которые его генерируют.
Является ли этот режим доминирующим, можно определить по параметрам импульса и волокна. Мы можем определить длину деления солитона , чтобы оценить длину, на которой достигается наибольшее сжатие солитона, например:
где – характерная длина дисперсии, – 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 нестабильности модуляции , деление будет доминировать.
Модуляционная неустойчивость (MI) приводит к распаду непрерывного волнового (CW) или квазинепрерывного волнового поля, которое становится цугом фундаментальных солитонов. Важно подчеркнуть, что солитоны, генерируемые в этом режиме, являются фундаментальными, поскольку в нескольких статьях по формированию непрерывного и квазинепрерывного суперконтинуума генерация коротковолновых волн отнесена к делению солитонов и генерации дисперсионных волн, как описано выше. [65] [66] Подобно режиму солитонного деления, длинноволновая сторона континуума генерируется солитонами, подвергающимися внутриимпульсному комбинационному рассеянию и сдвигу собственной частоты в сторону более длинных волн. Поскольку процесс МИ управляется шумом, создается распределение солитонов с разными энергиями, что приводит к разным скоростям сдвига собственной частоты. Конечным результатом является то, что солитонно-рамановские континуумы, управляемые МИ, имеют тенденцию быть спектрально намного более гладкими, чем те, которые генерируются в режиме деления. Коротковолновая генерация обусловлена четырехволновым смешением, особенно для более высоких пиковых мощностей в квазинепрерывном режиме. В режиме чистого непрерывного излучения лишь недавно удалось добиться коротковолновой генерации на длинах волн короче, чем у источника накачки с диаметром волны 1 мкм. Было показано, что в этом случае захват солитонов играет роль в генерации коротковолновых волн в режиме, управляемом МИ.
Континуум возникнет в режиме МИ только в том случае, если параметры волокна и поля таковы, что МИ формируется и доминирует над другими процессами, такими как деление. Аналогично режиму деления конструктивно разработать характерный масштаб длины для МИ :
где – уровень фонового шума ниже уровня пиковой мощности. По сути, уравнение является мерой длины, необходимой для усиления MI для усиления фонового квантового шума в солитоны. Обычно этот дробовой шум считается пониженным примерно на 200 дБ. Таким образом, при условии, что МИ будет доминировать над солитонным делением в случае квазинепрерывного процесса, и это условие можно выразить как:
Средний член уравнения представляет собой просто уравнение солитона. Чтобы MI доминировал, нам нужно, чтобы левая часть была намного меньше правой, что означает, что порядок солитона должен быть намного больше 4. На практике эта граница была установлена примерно равной . [49] Таким образом, мы видим, что именно ультракороткие импульсы приводят к солитонному механизму деления.
Оба описанных выше режима предполагают, что накачка находится в области аномальной дисперсии. В нормальной области возможно создание суперконтинуумов, и фактически многие из ранних результатов, обсуждаемых в историческом обзоре, были накачаны в режиме нормальной дисперсии. Если входные импульсы достаточно короткие, то фазовая самомодуляция может привести к значительному уширению, которое является когерентным во времени. Однако если импульсы не сверхкороткие, то вынужденное комбинационное рассеяние имеет тенденцию доминировать, и обычно появляется серия каскадных дискретных стоксовых линий до тех пор, пока не будет достигнута длина волны с нулевой дисперсией. В этот момент может образоваться солитонный рамановский континуум. Поскольку накачка аномального гораздо более эффективна для генерации континуума, большинство современных источников избегают накачки в режиме нормальной дисперсии.