Superkontinuum - Supercontinuum
I optik bildas ett superkontinuum när en samling icke-linjära processer verkar tillsammans på en pumpstråle för att orsaka allvarlig spektral breddning av den ursprungliga pumpstrålen, till exempel med användning av en mikrostrukturerad optisk fiber . Resultatet är en jämn spektralkontinuum (se figur 1 för ett typiskt exempel). Det finns ingen enighet om hur mycket breddning utgör ett superkontinuum; emellertid har forskare publicerat arbete som hävdar så lite som 60 nm av breddning som ett superkontinuum. Det finns inte heller någon överenskommelse om den spektrala planheten som krävs för att definiera källans bandbredd, med författare som använder allt från 5 dB till 40 dB eller mer. Dessutom fick termen superkontinuum inte en bred acceptans förrän i detta århundrade, med många författare som använde alternativa fraser för att beskriva deras fortsättning under 1970-, 1980- och 1990-talet.
Under det senaste decenniet har utvecklingen av superkontinua källor framstått som ett forskningsfält. Detta beror till stor del på ny teknisk utveckling, som har möjliggjort mer kontrollerad och tillgänglig generation av superkontinua. Denna förnyade forskning har skapat en mängd nya ljuskällor som hittar applikationer inom ett brett spektrum av områden, inklusive optisk koherens tomografi , frekvensmetrologi, fluorescens livstidsavbildning, optisk kommunikation, gasavkänning och många andra. Tillämpningen av dessa källor har skapat en återkopplingsslinga där forskarna som använder superkontinua kräver bättre anpassningsbara kontinuer för att passa deras specifika applikationer. Detta har drivit forskare att utveckla nya metoder för att producera dessa kontinuer och att utveckla teorier för att förstå deras bildning och hjälpa framtida utveckling. Som ett resultat har snabba framsteg gjorts när det gäller att utveckla dessa källor sedan 2000. Även om superkontinuumproduktion under lång tid har varit bevarandet av fibrer, har de senaste åren integrerade vågledare kommit åldrande för att producera extremt breda spektra, vilket öppnar dörren för mer ekonomiska , kompakta, robusta, skalbara och massproducerbara superkontinuumkällor.
Historisk översikt
1960- och 1970-talet
1964 rapporterade Jones och Stoicheff att de använde en kontinuitet som genererades av en maser för att studera inducerad Raman-absorption i vätskor vid optiska frekvenser. Det hade noterats av Stoicheff i en tidig publikation att "när maserutsläppet var i en enda skarp spektrallinje, var alla Raman-utsläppslinjerna skarpa. När utsläppet från maser innehöll ytterligare komponenter, alla Raman-utsläppslinjer, med undantag av den första Stokes-linjen , breddades avsevärt, ibland upp till flera hundra cm −1 . " Dessa svaga continua, såsom de beskrevs, tilläts de första Raman-absorption spektroskopimätningar göras.
År 1970 rapporterade Alfano och Shapiro de första mätningarna av frekvensbredning i kristaller och glasögon med en frekvensdubblad Nd: Glaslägeslåst laser . Utgångspulserna var cirka 4 ps och hade en pulsenergi på 5 mJ. De bildade trådarna producerade de första vita ljusspektren i intervallet 400-700 nm och författarna förklarade deras bildning genom självfasmodulering och fyrvågsblandning . Filamenten själva hade ingen verklig användning som källa; ändå föreslog författarna att kristallerna skulle kunna vara användbara som ultrasnabba ljusportar. Alfano är upptäckaren och uppfinnaren av superkontinuumet 1970 med tre banbrytande artiklar i samma nummer av Phy Rev Letters (24, 592,584,1217 (1970)) om den ultimata vita ljuskällan som nu kallas supercontinuum.
Studien av atomångor, organiska ångor och vätskor genom Raman-absorptionsspektroskopi under 1960- och 1970-talet styr utvecklingen av kontinuerliga källor. I början av 1970-talet användes kontinua som bildades av nanosekunders varaktighet blixtlampor och laserutlöst nedbrytningsgnista i gaser, tillsammans med laserupphetsad fluorescenskontinua från scintillatorfärgämnen , för att studera de upphetsade tillstånden. Dessa källor hade alla problem; det som krävdes var en källa som producerade bred kontinuitet vid höga effektnivåer med en rimlig effektivitet. 1976 rapporterade Lin och Stolen en ny nanosekundkälla som producerade kontinuitet med en bandbredd på 110-180 nm centrerad på 530 nm vid uteffekt på cirka en kW. Systemet använde en 10-20 kW färglaser som producerade 10 ns pulser med 15-20 nm bandbredd för att pumpa en 19,5 m lång kiseldioxidfiber med 7 μm kärndiameter. De kunde bara hantera en kopplingseffektivitet i området 5-10%.
År 1978 rapporterade Lin och Nguyen flera kontinuiteter, särskilt en som sträckte sig från 0,7-1,6 μm med en 315 m lång GeO- dopad kiseldioxidfiber med en 33 μm kärna. Den optiska inställningen liknade Lins tidigare arbete med Stolen, förutom i detta fall var pumpkällan en 150 kW, 20 ns, Q-switchad Nd: YAG-laser. Faktum är att de hade så mycket kraft tillgänglig för dem att två tredjedelar dämpades bort för att förhindra skador på fibern. De 50 kW kopplade till fibern framkom som ett 12 kW-kontinuum. Stokes-linjer var tydligt synliga upp till 1,3 μm, vid vilken tidpunkt kontinuiteten började släta ut, med undantag för en stor förlust på grund av vattenabsorption vid 1,38 μm. När de ökade startkraften över 50 kW noterade de att kontinuiteten sträcker sig ner i den gröna delen av det synliga spektrumet. De högre effektnivåerna skadade dock snabbt fibern. I samma papper pumpade de också en enda modefiber med en kärndiameter på 6 μm och "några 100 m långa." Det genererade en liknande kontinuitet som sträckte sig från 0,9 μm till 1,7 μm med minskad start- och uteffekt. Utan att inse det hade de också skapat optiska soliton för första gången.
1980-talet
1980 Fujii et al. upprepade Lin 1978-installationen med en lägeslåst Nd: YAG. Toppeffekten för pulserna rapporterades vara större än 100 kW och de uppnådde bättre kopplingseffektivitet än 70% till en 10 μm kärnig single-mode Ge-dopad fiber. Ovanligt rapporterade de inte sin pulsvaraktighet. Deras spektrum sträckte sig över hela spektralfönstret i kiseldioxid från 300 nm till 2100 nm. Författarna handlade om den synliga sidan av spektrumet och identifierade den huvudsakliga mekanismen för generation som fyra-vågsblandning av pumpen och Raman genererade Stokes. Det fanns emellertid några lägen av högre ordning, som tillskrevs summeringsfrekvensgenerering mellan pump- och Stokes-linjerna. Fasmatchningsvillkoret uppfylldes genom koppling av det uppkonverterade ljuset och kvasikontinuet för beklädnadslägen.
Ett ytterligare framsteg rapporterades av Washio et al. 1980, då de pumpade 150 m singelmodsfiber med en 1,34 μm Q-switchad Nd: YAG-laser. Detta var precis inom den avvikande dispersionsregimen för deras fiber. Resultatet var en fortsättning som sträckte sig från 1,15 till 1,6 μm och visade inga diskreta Stokes-linjer.
Fram till denna punkt hade ingen riktigt lämnat en lämplig förklaring till varför kontinuiteten slätade ut mellan Stokes-linjerna vid längre våglängder i fibrer. I de flesta fall förklaras detta av solitonmekanismer; emellertid rapporterades solitoner inte i fibrer förrän 1985. Man insåg att självfasmodulation inte kunde redogöra för den breda kontinuiteten, men för det mesta erbjöds lite annat som en förklaring.
1982 Smirnov et al. rapporterade liknande resultat som Lin 1978 uppnådde. Med användning av multimode fosfosilikatfibrer pumpade vid 0,53 och 1,06 μm såg de de normala Stokes-komponenterna och ett spektrum som sträckte sig från ultraviolett till nära infrarött. De beräknade att spektralbredningen på grund av självfasmodulering borde ha varit 910 cm -1 , men deras kontinuitet var större än 3000 cm -1 . De drog slutsatsen att "ett optiskt kontinuum inte kan förklaras med enbart självfasmodulation." De fortsatte med att påpeka svårigheterna med fasmatchning över långa fiberlängder för att upprätthålla fyrvågsblandning och rapporterade en ovanlig skademekanism (i efterhand skulle detta troligen kunna betraktas som en mycket kort fibersäkring). De noterar ett mycket tidigare förslag från Loy och Shen att om nanosekundpulserna bestod av sub-nanosekundspikar i ett nanosekundhölje , skulle det förklara det breda kontinuumet.
Denna idé om mycket korta pulser som resulterade i den breda kontinuiteten studerades ett år senare när Fork et al. rapporterades med 80 fs-pulser från en kolliderande läslåst laser. Laserns våglängd var 627 nm och de använde den för att pumpa en etylenglykolstråle. De kollimerade det resulterande kontinuumet och mätte pulslängden vid olika våglängder och noterade att den röda delen av kontinuumet var längst fram på pulsen och den blåa på baksidan. De rapporterade väldigt små kvittringar över kontinuumet. Dessa observationer och andra ledde dem till att påstå att självfasmodulation var den dominerande effekten med viss marginal. De noterade dock också att deras beräkningar visade att kontinuiteten förblev mycket större än vad som krävs för självfasmodulering, vilket antyder att blandningsprocesser med fyra vågor också måste vara närvarande. De uppgav att det var mycket lättare att producera ett tillförlitligt, repeterbart kontinuum med en femtosekundkälla . Under de följande åren utvecklades denna källa vidare och användes för att undersöka andra vätskor.
Samma år rapporterade Nakazawa och Tokuda att de använde de två övergångarna i Nd: YAG vid 1,32 och 1,34 μm för att pumpa en multimodfiber samtidigt vid dessa våglängder. De tillskrev kontinuumspektrumet till en kombination av tvingad fyrvågsblandning och en superposition av sekventiell stimulerad Ramanspridning . Den största fördelen med detta var att de kunde generera ett kontinuum vid de relativt låga pumpeffekterna på några kW jämfört med tidigare arbete.
Under de tidiga till slutet av 1980-talet genomförde Alfano, Ho, Corkum, Manassah och andra en mängd olika experiment, även om väldigt lite av det involverade fibrer. Merparten av arbetet handlade om att använda snabbare källor (10 ps och lägre) för att pumpa olika kristaller, vätskor, gaser och halvledare för att generera kontinuitet mestadels i det synliga området. Självfas-modulering användes normalt för att förklara processerna, men från mitten av 1980-talet erbjöds andra förklaringar, inklusive andra harmonisk generationens korsfasmodulation och inducerad fasmodulering. I själva verket gjordes försök att förklara varför självfasmodulering mycket väl kan resultera i mycket bredare kontinuitet, mestadels genom modifieringar av teorin genom att inkludera faktorer som bland annat ett långsamt varierande amplitudhölje .
1987 Gomes et al. rapporterade kaskadstimulerad Ramanspridning i en enda fosfosilikatbaserad fiber . De pumpade fibern med en Q-omkopplad och läslåst Nd: YAG, som producerade 130 ps pulser med 700 kW toppeffekt. De lanserade upp till 56 kW i fibern och som ett resultat av fosfor uppnåddes ett mycket bredare och plattare kontinuum än vad som hittills uppnåtts med kiseldioxidfiber. Ett år senare Gouveia-Neto et al. från samma grupp publicerade en uppsats som beskriver bildandet och förökningen av solitonvågor från moduleringsinstabilitet. De använde en 1,32 μm Nd: YAG-laser som producerade 100 ps pulser med 200 W toppeffekt för att pumpa 500 m single mode fiber med en 7 μm kärndiameter. Nolldispersionsvåglängden för fibern var 1,30 μm och placerade pumpen precis innanför den avvikande dispersionsregimen. De noterade pulser som uppstod med en varaktighet på mindre än 500 fs (solitoner) och när de ökade pumpeffekten bildades ett kontinuum som sträckte sig från 1,3 till 1,5 μm.
1990-talet
Gross et al. 1992 publicerade ett papper som modellerar bildandet av superkontinua (i den avvikande grupphastighetsdispersionsregionen) när den genereras av femtosekundpulser i fiber. Det var lätt den mest kompletta modellen, hittills, med grundläggande solitoner och solitons självfrekvensförskjutning framträdande som lösningar på ekvationerna.
Tillämpningen av superkontinua för användning i WDM-system för våglängdsdivision för optisk kommunikation undersöktes kraftigt under 1990-talet. 1993 Morioka et al. rapporterade ett 100-våglängds-kanalmultiplexeringsschema som samtidigt producerade hundra 10 ps-pulser i spektrumområdet 1.224-1.394 μm med ett spektrumavstånd på 1,9 nm. De producerade ett superkontinuum med hjälp av en Nd: YLF-pump centrerad på 1.314 μm som var läslåst för att producera 7,6 ps pulser. De filtrerade sedan det resulterande kontinuumet med en dubbelbrytande fiber för att generera kanalerna.
Morioka och Mori fortsatte utvecklingen av telekommunikationsteknologi med superkontinuergenerering under 1990-talet fram till idag. Deras forskning omfattade: användning av en superkontinua för att mäta grupphastighetsspridningen i optiska fibrer; demonstration av ett 1 Tbit / s-baserat WDM-system; och mer nyligen ett 1000-kanals tätt våglängdsuppdelat multiplexerat (DWDM) system som kan 2,8 Tbit / s med användning av ett superkontinuum som är mer än 60 nm brett.
Den första demonstrationen av en fiberbaserad superkontinuum pumpad av en fiberbaserad laser rapporterades av Chernikov et al. 1997. De använde sig av distribuerad ryggspridning för att uppnå passiv Q-omkoppling i enläge ytterbium och erbium- dopade fibrer. Den passiva Q-växlingen producerade pulser med en toppeffekt på 10 kW och en varaktighet på 2 ns. Den resulterande kontinuiteten sträckte sig från 1 μm till kanten av kiseldioxidfönstret vid 2,3 μm. De första tre Stokes-linjerna var synliga och kontinuiteten sträckte sig ner till cirka 0,7 μm men vid signifikant reducerade effektnivåer.
Framsteg sedan 2000
Framsteg som gjordes under 1980-talet innebar att det hade blivit klart att för att få den bredaste kontinuiteten i fiber var det mest effektivt att pumpa in den avvikande dispersionsregimen. Det var dock svårt att dra nytta av detta med högeffekt 1 mikrometer lasrar eftersom det visat sig vara extremt svårt att uppnå en noll-dispersionsvåglängd på mycket mindre än 1,3 mikrometer i konventionell kiseldioxidfiber. En lösning uppträdde med uppfinningen av fotoniska kristallfibrer (PCF) 1996 av Knight et al. Egenskaperna hos PCF diskuteras i detalj någon annanstans, men de har två egenskaper som gör PCF till ett utmärkt medium för superkontinuumgenerering, nämligen: hög ickelinjäritet och en anpassningsbar noll-dispersionsvåglängd. Bland de första var Ranka et al. år 2000, som använde en 75 cm PCF med en noll-dispersion vid 767 nm och en 1,7 mikrometer kärndiameter. De pumpade fibern med 100 fs, 800 pJ-pulser vid 790 nm för att producera ett platt kontinuum mellan 400 och 1450 nm.
Detta arbete följdes av andra som pumpade korta PCF-längder med noll dispersioner runt 800 nm med hög effekt femtosekund Ti: safirlasrar. Lehtonen et al. studerade effekten av polarisering på bildandet av kontinuiteten i en dubbelbrytande PCF, liksom att variera pumpens våglängd (728-810 nm) och pulsvaraktighet (70-300 fs). De fann att den bästa kontinuiteten bildades precis innanför den avvikande regionen med 300 fs-pulser. Kortare pulser resulterade i tydlig separation av solitonerna som var synliga i spektralutgången. Herrmann et al. gav en övertygande förklaring till utvecklingen av femtosekund superkontinua, särskilt minskningen av solitoner från höga ordrar ner till grundläggande och produktionen av dispersiva vågor under denna process. Helt fiberintegrerade femtosekundkällor har sedan dess utvecklats och demonstrerats.
Andra utvecklingsområden sedan 2000 har inkluderat: superkontinua-källor som arbetar inom picosekund-, nanosekund- och CW-regimen; utveckling av fibrer för att inkludera nya material, produktionstekniker och avsmalningar; nya metoder för att skapa bredare kontinuitet; nya förökningsekvationer för att beskriva superkontinuum i fotoniska nanotrådar, och utveckling av numeriska modeller för att förklara och underlätta förståelsen av superkontinuumgenerering. Tyvärr går en djupgående diskussion om dessa prestationer bortom denna artikel men läsaren hänvisas till en utmärkt recensionsartikel av Dudley et al.
Superkontinuumgenerering i integrerade fotonikplattformar
Medan optiska fibrer har varit arbetshästen för superkontinuumgenerering sedan starten, har integrerade vågledarbaserade superkontinuumkällor blivit ett aktivt forskningsområde under det tjugoförsta århundradet. Dessa plattformar med chipskala lovar att miniatyrisera superkontinuumkällor till enheter som är kompakta, robusta, skalbara, massproducerbara och mer ekonomiska. Sådana plattformar tillåter också spridningsteknik genom att variera vågledarens tvärsnittsgeometri. Kiselbasmaterial såsom kiseldioxid , kiselnitrid , kristallint och amorft kisel har visat superkontinuumgenerering som spänner över de synliga, nära infraröda och mellersta infraröda områdena i det elektromagnetiska spektrumet. Från och med 2015 sträcker sig det bredaste superkontinuumet som genereras på chip från 470 nm i det synliga till 2130 nm för det infraröda våglängdsområdet.
Beskrivning av dynamiken i kontinuumbildning i fiber
I detta avsnitt kommer vi kort att diskutera dynamiken i de två huvudregimer där superkontinua genereras i fiber. Som tidigare nämnts sker ett superkontinuum genom växelverkan mellan många icke-linjära processer för att orsaka omfattande spektral vidgning. Många av dessa processer, såsom: självfasmodulering, fyrvågsblandning och solitonbaserad dynamik har förstås väl individuellt under en längre tid. Genombrotten under de senaste åren har inneburit att förstå och modellera hur alla dessa processer samverkar för att generera superkontinua och hur parametrar kan konstrueras för att förbättra och kontrollera kontinuumbildningen. De två huvudsakliga regimerna är solitons fissionsregimen och moduleringsinstabilitetsregimen. De fysiska processerna kan anses vara ganska lika och beskrivningarna gör det möjligt för oss att skilja mellan de processer som driver kontinuumbildningen för varierande pumpförhållanden. En tredje regim, som pumpar i den normala spridningsregionen , täcks också. Detta är ett perfekt livskraftigt sätt att generera ett superkontinuum. Det är dock inte möjligt att generera samma bandbredd med denna metod.
Solitons fissionsregim
I solitons klyvningsregim lanseras en kort femtosekundspuls med hög effekt i PCF eller andra mycket olinjära fibrer. Femtosekundspulsen kan betraktas som en högordens soliton, följaktligen breddas den snabbt och smälter sedan in i grundläggande solitoner. Under klyvningsprocessen tappas överflödig energi som dispersiva vågor på den korta våglängdsidan. I allmänhet kommer dessa dispersiva vågor att inte genomgå någon ytterligare förskjutning och således är förlängningen kort av pumpen beroende av hur brett solitonen expanderar när det andas. De grundläggande solitonerna genomgår sedan ramanspridning inom pulsen och skiftar till längre våglängder (även känd som solitons självfrekvensförskjutning), vilket genererar den långa våglängdsidan av kontinuumet. Det är möjligt för soliton Raman-kontinuet att interagera med den dispersiva strålningen via fyrvågsblandning och korsfasmodulering. Under vissa omständigheter är det möjligt för dessa dispersiva vågor att kopplas till solitonerna via soliton-fångningseffekten. Denna effekt innebär att när solitonsjälvfrekvensen skiftar till längre våglängder, skiftas den kopplade dispersiva vågen till kortare våglängder, vilket dikteras av grupphastighetsmatchningsförhållandena. Generellt möjliggör denna soliton-infångningsmekanism att kontinuiteten kan sträcka sig till kortare våglängder än vad som är möjligt via någon annan mekanism.
Det första superkontinuum som genererades i PCF fungerade i detta system och många av de efterföljande experimenten använde också ultrakorta pulserade femtosekundsystem som pumpkälla. En av de största fördelarna med denna regim är att kontinuiteten ofta uppvisar en hög grad av tidsmässig koherens, dessutom är det möjligt att generera bred superkontinua i mycket korta PCF-längder. Nackdelarna inkluderar en oförmåga att skala till mycket höga medeleffekter i kontinuumet, även om den begränsande faktorn här är de tillgängliga pumpkällorna; och typiskt är spektrumet inte jämnt på grund av den lokala karaktären hos de spektralkomponenter som alstrar det.
Huruvida denna regim är dominerande kan räknas ut från puls- och fiberparametrarna. Vi kan definiera en solitons fissionslängd, för att uppskatta längden vid vilken den högsta solitonkomprimeringen uppnås, så att:
var är den karakteristiska dispersionslängden och är solitonordningen. Eftersom klyvning tenderar att inträffa vid denna längd, förutsatt att den är kortare än fiberns längd och andra karakteristiska längdskalor, såsom moduleringsinstabilitetslängden , kommer klyvning att dominera.
Modulationsinstabilitetsregim
Modulationsinstabilitet (MI) leder till upplösning av en kontinuerlig våg (CW) eller kvasikontinuerliga vågfält, vilket blir ett tåg av grundläggande solitoner. Det är viktigt att betona att solitonerna som genereras i denna regim är grundläggande, eftersom flera artiklar om CW och kvasi-CW-superkontinuumbildning har ackrediterat generering av kort våglängd till solitons fission och dispersiv våggenerering som beskrivits ovan. På liknande sätt som solitons klyvningsregime genereras den långa våglängdsidan av kontinuumet av solitonerna som genomgår intra-puls Raman-spridning och självfrekvensskiftning till längre våglängder. Eftersom MI-processen är bullerdriven skapas en fördelning av solitoner med olika energier, vilket resulterar i olika hastigheter för självfrekvensförskjutning. Nettoresultatet är att MI-driven soliton-Raman continua tenderar att vara spektralt mycket mjukare än de som genereras i fissionsregimen. Kort våglängd genereras av fyrvågsblandning, speciellt för högre toppeffekter i kvasi-CW-regimen. I den rena CW-regimen har kort våglängdsgenerering bara nyligen uppnåtts vid kortare våglängder än för en 1 μm pumpkälla. I detta fall har soliton-fångst visats spela en roll vid kort våglängd i det MI-drivna regimet.
En kontinuitet kommer endast att inträffa i MI-regimen om fiber- och fältparametrarna är sådana att MI bildas och dominerar över andra processer som fission. På ett liknande sätt som fissionsregimen är det konstruktivt att utveckla en karakteristisk längdskala för MI :
var är nivån på bakgrundsbruset under toppeffektnivån. Ekvationen är i huvudsak ett mått på den längd som krävs för MI-förstärkningen för att förstärka bakgrundskvantbruset till solitoner. Normalt anses detta skottbuller vara ~ 200 dB nere. Så förutsatt att MI kommer att dominera över solitfission i kvasi-CW-fallet och detta tillstånd kan uttryckas som:
Mitten av ekvationen är helt enkelt solitonekvationen. För att MI ska kunna dominera behöver vi vänster sida vara mycket mindre än höger sida vilket innebär att solitonordningen måste vara mycket större än 4. I praktiken har denna gräns fastställts vara ungefär . Därför kan vi se att det huvudsakligen är ultrakorta pulser som leder till solitons splittringsmekanism.
Pumpning i den normala spridningsregimen
De två ovan beskrivna regimerna antar att pumpen befinner sig i den avvikande dispersionsregionen. Det är möjligt att skapa superkontinua i den normala regionen och faktiskt pumpades många av de tidiga resultaten som diskuterades i den historiska översikten i den normala spridningsregimen. Om ingångspulserna är tillräckligt korta kan självfasmodulering leda till betydande breddning som är temporärt koherent. Om pulserna inte är ultrakorta tenderar emellertid stimulerad Raman-spridning att dominera och typiskt kommer en serie kaskad diskreta Stokes-linjer att visas tills noll-dispersionsvåglängden uppnås. Vid denna tidpunkt kan en soliton Raman-kontinuitet bildas. Eftersom pumpning i det avvikande är mycket effektivare för generering av kontinuiteter, undviker de flesta moderna källor pumpning i det normala spridningsregimet.