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物理光学または波動光学において、ベクトルソリトンは、伝搬中に形状を維持する複数の成分が結合した孤立波です。通常のソリトンは形状を維持しますが、実質的には1つの（スカラー）偏光成分しか持ちません。一方、ベクトルソリトンは2つの異なる偏光成分を持ちます。あらゆる種類のソリトンの中でも、光ベクトルソリトンは、特に超高速パルスの生成や光制御技術など、幅広い応用分野があるため、最も注目を集めています。光ベクトルソリトンは、時間ベクトルソリトンと空間ベクトルソリトンに分類できます。時間ソリトンと空間ソリトンの両方の伝搬中、複屈折のある媒質中であっても、ベクトルソリトンの2つの偏光間の強い相互位相変調とコヒーレントなエネルギー交換により、直交する偏光は分裂することなく1つのユニットとして共伝搬し、これらの2つの偏光間に強度差が生じる可能性があります。したがって、ベクトルソリトンはもはや直線偏光ではなく、楕円偏光になります。
CR Menyuk は、弱い複屈折下でのシングルモード光ファイバ (SMF) における非線形パルス伝搬方程式を最初に導出した。次に、Menyuk はベクトルソリトンを、エネルギーを分散させることなく形状を維持しながら一緒に伝搬する直交偏光の 2 つのソリトン (より正確には孤立波と呼ばれる) として記述した。これら 2 つの偏光間の非線形相互作用により、これら 2 つの偏光モード間に複屈折が存在するにもかかわらず、それらは群速度を調整して一緒に閉じ込められることができる。[ 1 ]
ベクトルソリトンは空間的または時間的であり、単一の光場の互いに直交する2つの偏光成分、または周波数は異なるが同じ偏光を持つ2つの光場によって形成される。
1987年、メニュクは弱い複屈折条件下におけるシングルモードファイバー（SMF）の非線形パルス伝搬方程式を初めて導出した。この画期的な方程式は、研究者にとって「スカラー」ソリトンという新たな分野を切り開いた。彼の方程式は、ベクトルソリトンの2つの直交偏光成分間の非線形相互作用（相互位相変調とコヒーレントなエネルギー交換）に関するものである。研究者たちは、弱い複屈折、中程度の複屈折、さらには強い複屈折条件下において、この方程式の解析解と数値解の両方を得ている。
1988年にChristodoulidesとJosephは、複屈折分散媒質における位相ロックされたベクトルソリトンの新しい形式を理論的に初めて予測しました。これは現在、SMFにおける高次位相ロックベクトルソリトンとして知られています。このソリトンは、強度が同程度の2つの直交偏光成分を持ちます。複屈折が存在するにもかかわらず、これらの2つの偏光は中心周波数がシフトするにつれて同じ群速度で伝搬することができます。[ 2 ]
2000年に、CundiffとAkhmedievは、これら2つの偏光が、いわゆる群速度ロックベクトルソリトンだけでなく、偏光ロックベクトルソリトンも形成できることを発見した。彼らは、これら2つの偏光の強度比が約0.25 ～ 1.00になることを報告した。[ 3 ]
しかし最近、別のタイプのベクトルソリトンである「誘導ベクトルソリトン」が観測された。このようなベクトルソリトンは、2つの直交偏光間の強度差が極めて大きい（20 dB）という点で新しい。弱い偏光は通常、ベクトルソリトンの成分を形成できないように思われる。しかし、強い偏光成分と弱い偏光成分間の交差偏光変調により、「弱いソリトン」も形成される可能性がある。したがって、得られたソリトンは線形偏光モードを持つ「スカラー」ソリトンではなく、大きな楕円率を持つベクトルソリトンであることが示されている。これにより、ベクトルソリトンの範囲が拡大され、ベクトルソリトンの強い成分と弱い成分間の強度比は0.25 ～ 1.0に限定されず、20 dBまで拡張できるようになった 。[ 4 ]
ChristodoulidesとJosephによる古典的な研究[ 5 ] （SMFにおける高次位相ロックベクトルソリトンに関するもの）に基づき、最近ファイバーレーザーで安定した高次位相ロックベクトルソリトンが生成された。このソリトンは、2つの直交偏光ソリトン成分が位相ロックされているだけでなく、成分の1つが二峰性の強度プロファイルを持つという特徴がある。[ 6 ]
以下の図は、光ファイバーの複屈折を考慮すると、単一の非線形シュレディンガー方程式（NLSE）ではソリトンのダイナミクスを記述できず、代わりに2つの結合したNLSEが必要となることを示している。そうすることで、2つの偏光モードを持つソリトンを数値的に得ることができる。
ファイバーレーザーの偏光ロックベクトルソリトンの偏光分解ソリトンスペクトルにおいて、スペクトルサイドバンドの新しいパターンが初めて実験的に観測された。この新しいスペクトルサイドバンドは、ソリトンスペクトル上の位置が線形共振器の複屈折の強度によって変化し、一方の偏光成分のサイドバンドにはスペクトルピークがあるのに対し、直交偏光成分にはスペクトルディップがあることが特徴であり、これはベクトルソリトンの2つの直交偏光成分間のエネルギー交換を示している。数値シミュレーションでも、この新しいタイプのスペクトルサイドバンドの形成は、2つの偏光成分間のFWMによって引き起こされていることが確認された。[ 7 ]
隣接する2つのベクトルソリトンは束縛状態を形成する可能性がある。スカラー束縛ソリトンと比較すると、このソリトンの偏光状態はより複雑である。相互相互作用のため、束縛ベクトルソリトンはスカラーソリトン間に存在する相互作用力よりもはるかに強い相互作用力を持つ可能性がある。[ 8 ]
ダークソリトン[ 9 ]は、より強い連続波の背景と比較して局所的に強度が低下することによって形成されるという特徴があります。スカラーダークソリトン（線形偏光ダークソリトン）は、非線形偏光回転法によってモードロックされたすべての正常分散ファイバーレーザーで形成され、かなり安定しています。ベクトルダークソリトン[ 10 ]は、2つの偏光成分間の相互作用により、はるかに不安定です。したがって、これら2つの偏光成分の偏光状態がどのように変化するかを調べることは興味深いことです。
2009年、キャビティ内に偏光子を備えた全正常分散エルビウム添加ファイバーレーザーで、初のダークソリトンファイバーレーザーが実現されました。実験的に、明るいパルスの発光に加えて、適切な条件下では、ファイバーレーザーが単一または複数のダークパルスを発光することも確認されました。数値シミュレーションに基づいて、レーザーにおけるダークパルスの形成はダークソリトン整形の結果であると解釈しています。[ 11 ]
「ブライトソリトン」は、連続波（CW）背景より上の局所的な強度ピークとして特徴付けられ、ダークソリトンは、連続波（CW）背景より下の局所的な強度低下として特徴付けられます。「ベクトルダークブライトソリトン」とは、一方の偏光状態がブライトソリトンであり、もう一方の偏光状態がダークソリトンであることを意味します。[ 12 ]ベクトルダークブライトソリトンは、自己デフォーカス媒質中の非干渉的に結合した空間DBVSおよび反発散乱相互作用を持つ2種凝縮体中の物質波DBVSで報告されていますが、[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]光ファイバーの分野では検証されていません。
複屈折キャビティファイバーレーザーを使用すると、2 つの直交偏光成分間のクロスカップリングにより、誘導ベクトルソリトンが形成される可能性があります。一方の主偏光軸に沿って強いソリトンが形成されると、直交偏光軸に沿って弱いソリトンが誘導されます。誘導ベクトルソリトンの弱い成分の強度は非常に弱いため、それだけでは SPM でソリトンを形成できない可能性があります。このタイプのソリトンの特性は数値的にモデル化され、実験によって確認されています。[ 16 ]
ベクトル散逸ソリトンは、正味の正の分散を持つレーザー共振器内に形成され、その形成メカニズムは、通常の共振器分散、共振器ファイバーの非線形カー効果、レーザー利得飽和、および利得帯域幅フィルタリング間の相互非線形相互作用の自然な結果である。従来のソリトンでは、分散と非線形性の間のバランスのみである。従来のソリトンとは異なり、ベクトル散逸ソリトンは周波数チャープが強い。位相ロックされた利得誘導ベクトルソリトンがファイバーレーザー内に形成されるかどうかは不明である。偏光回転または位相ロックされた散逸ベクトルソリトンは、正味の通常の共振器群速度分散が大きいファイバーレーザー内に形成される可能性がある。さらに、SESAM を備えた受動モードロックファイバーレーザーでは、ソリトンパラメータが同一で、従来の散逸ベクトルソリトンと高調波モードロックされた複数のベクトル散逸ソリトンも形成される可能性がある。[ 17 ]
最近、SESAMでパッシブモード同期された全正常分散ファイバーレーザーにおいて、多波長散逸ソリトンが生成された。キャビティの複屈折に応じて、レーザー内に安定した単一波長、二波長、三波長の散逸ソリトンが形成されることがわかった。その生成メカニズムは、散逸ソリトンの性質に遡ることができる。[ 18 ]
スカラーソリトンでは、キャビティ内に偏光子が存在するため、出力偏光は常に線形です。しかし、ベクトルソリトンでは、偏光状態は任意に回転できますが、キャビティの往復時間またはその整数倍にロックされます。[ 19 ]
高次ベクトルソリトンでは、2 つの直交偏光ソリトン成分が位相ロックされているだけでなく、成分の 1 つが二峰性の強度プロファイルを持つ。同一のソリトンパラメータとベクトルソリトンの調和モードロックを持つ、このような位相ロックされた複数の高次ベクトルソリトンがレーザーでも得られている。数値シミュレーションにより、ファイバーレーザーにおける安定な高次ベクトルソリトンの存在が確認されている。[ 6 ]
最近、位相ロックされたダーク-ダークベクトルソリトンは正分散のファイバーレーザーでのみ観測され、位相ロックされたダーク-ブライトベクトルソリトンは正または負の分散のファイバーレーザーで得られた。数値シミュレーションは実験観測を確認し、さらに観測されたベクトルソリトンは理論的に予測された2種類の位相ロックされた偏光ドメインウォールソリトンであることを示した。[ 20 ]
分布ブラッグ反射器 (DBR) 上に成長させた III-V 族半導体多重量子井戸を使用する従来の半導体飽和吸収ミラー (SESAM) を除いて、多くの研究者が飽和吸収体として他の材料に注目しています。特に、SESAM には多くの欠点があるためです。たとえば、SESAM は、有機金属化学気相成長法 (MOCVD) や分子線エピタキシー (MBE) などの複雑で高価なクリーンルームベースの製造システムを必要とし、場合によっては追加の基板除去プロセスが必要です。短パルスレーザーのモード同期アプリケーションに必要なピコ秒領域までデバイスの回復時間 (通常数ナノ秒) を短縮するために、欠陥サイトを導入するために高エネルギー重イオン注入が必要です。SESAM は反射デバイスであるため、その使用は特定のタイプの線形キャビティトポロジーに限定されます。
リング共振器設計などの他のレーザー共振器トポロジーは、透過モードデバイスを必要とし、所定の共振器長に対して繰り返し周波数を2倍にするなどの利点があり、光アイソレーターを使用することで反射誘起不安定性に対する感度が低くなりますが、光サーキュレーターを使用しない限り実現できません。光サーキュレーターを使用すると、共振器損失とレーザーの複雑さが増します。SESAMは、光損傷閾値が低いという問題もあります。しかし、ファイバーレーザーのパッシブモード同期においてSESAMと競合する代替の飽和吸収材料はこれまでありませんでした。
近年、研究者らは、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）が近赤外領域において約1ピコ秒という超高速の飽和回復時間を持つ飽和吸収特性を有することに着目し、構造や製造方法においてSESAMとは全く異なる新しいタイプの有効な飽和吸収体を開発することに成功し、実際にピコ秒またはサブピコ秒のエルビウム添加ファイバー（EDF）レーザーの実証に至った。これらのレーザーでは、SWCNTフィルムを平面ガラス基板、ミラー基板、または光ファイバーの端面に直接堆積させることにより、固体SWCNT飽和吸収体が作製されている。しかしながら、SWNTの不均一なキラル特性は、飽和吸収体の特性を精密に制御する上で固有の問題となっている。さらに、ポリマーホストはこれらの問題の一部をある程度回避し、デバイスの統合を容易にするにもかかわらず、束状になったり絡み合ったりしたSWNT、触媒粒子、および気泡の形成により、キャビティ内で高い非飽和損失が発生します。加えて、高エネルギーの超短パルス照射下では、多光子効果による酸化が発生し、吸収体の長期安定性が低下します。
グラフェンは、六角格子状に配置された炭素原子からなる単一の二次元（2D）原子層です。単体フィルムとしてはバンドギャップゼロの半導体ですが、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）と同様に、グラフェンも飽和吸収特性を持つことがわかっています。特に、バンドギャップがないため、その飽和吸収は波長に依存しません。グラフェンまたはグラフェン-ポリマー複合体を用いて、レーザーモード同期用の広帯域飽和吸収体を作製できる可能性があります。さらに、グラフェンは2D構造であるため、SWCNTと比較して非飽和損失がはるかに小さく、損傷閾値がはるかに高いと考えられます。実際、エルビウム添加ファイバーレーザーを用いて、自己始動モード同期と高エネルギーの安定したソリトンパルス発振を実現しました。
グラフェンの完全な等方性吸収特性により、生成されたソリトンはベクトルソリトンとみなすことができる。グラフェンの相互作用下でのベクトルソリトンの進化は、特に非線形光学波と原子の相互作用が関係するため、まだ不明だが興味深い。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]これは、Nature Asia Materials [ 24 ]およびnanowerk [ 25 ]で強調されている。
さらに、原子層グラフェンは波長に依存しない超高速飽和吸収特性を有しており、これを「フルバンド」モードロッカーとして利用できる。数層グラフェンでモードロックされたエルビウム添加散逸ソリトンファイバーレーザーでは、30 nm（1570 nm～1600 nm）もの連続波長チューニングが可能な散逸ソリトンが得られることが実験的に実証されている。[ 26 ]