Динамика оптических импульсов в неоднородных по длине одно-и двухмодовых световодах

Третье тысячелетие, которое называют информационной эрой, характеризуется постоянно растущими потребностями мирового сообщества в обмене информацией с одной стороны и развитием науки, способной удовлетворить эти потребности, с другой. Достигнутый уровень скоростей передачи и обработки информации на несколько порядков превышает уровень 10-летней давности (см. рис. 1.1) и составляет сегодня — десятки терабит/с и сотни ТГц соответственно. Такой прогресс в мире информации стал возможен, во многом, благодаря развитию волоконной оптики и лазерной физики. Передача лазерного излучения по волоконному световоду (ВС) происходит в результате полного внутреннего отражения излучения от оболочки, что приводит к локализации сигнала в сердцевине волокна. В отличие от монохроматического излучения, распространение оптического импульса сопровождается его дисперсионными расплыванием. С увеличением числа одновременно распространяющихся информационных сигналов значительно возрастает плотность мощности излучения и существенную роль начинают играть нелинейные явления. Если в оптических волокнах нелинейные явления начинают преобладать над дисперсионными, они могут играть как положительную роль (например, при использовании для управления параметрами оптического сигнала), так и отрицательную (например, ограничивая скорость передачи информации).

В настоящей диссертационной работе исследуются вопросы, лежащие в русле общих теоретических и экспериментальных исследований в области нелинейной волоконной оптики.

Целью диссертационной работы является теоретическое исследование особенностей распространения гауссовых и секанс-гиперболических импульсов в однородных и неоднородных по длине однои двухмодовых ВС с учетом дисперсионных и нелинейных эффектов, усиления и межмодового взаимодействия (в случае двухмодовых ВС) импульсованализ влияния параметров световода и вводимого излучения на солитонную или компрессионную динамику импульсатеоретическое и экспериментальное исследование невзаимных эффектов в неоднородных по длине световодах.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи, относящиеся к одномодовым и двухмодовым световодам:

• получение условий компрессии импульса в зависимости от его входных параметров и типа неоднородности (линейный, экспоненциальный, гармонический) волокна;

• исследование возможности образования солитоноподобного импульса в продольно неоднородном световоде;

• теоретическое и экспериментальное исследование оптических невзаимных эффектов;

• получение условий солитонного, квазисолитонного и компрессионного режимов распространения волнового пакета в двухмодовом ВС в зависимости от параметра межмодовой связи и отстройки от фазового синхронизма мод;

• получение ударных волн огибающей в двухмодовых ВС с дисперсией нелинейности;

• исследование дисперсионных эффектов высших порядков в двухмодовых ВС с сильной связью мод;

• получение сверхсветовых режимов распространения импульсов в двухмодовых ВС с периодически неоднородным по длине показателем преломления.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались, по возможности, известные аналитические методы (метод •обратной задачи рассеяния, метод парциальных импульсов) — при невозможности получить точное решение задачи предпочтение отдавалось численным методам анализа, а также применялись приближенные методы с использованием вариационного подхода. Использование приближенных и численных методов анализа обусловлено тем, что уравнения, описывающие динамику импульса, в общем случае не являются вполне интегрируемыми, и непосредственное применение метода обратной задачи рассеяния не всегда корректно. Кроме аналитических методов исследования в работе используются графические, с привлечением компьютерного моделирования физических процессов.

Научная новизна работы.

1. Показана возможность формирования отрицательной эффективной дисперсии Dej < 0, при которой могут существовать солитонные и компрессионные режимы распространения импульса в однородном пассивном двухмодовом световоде с положительной и отрицательной материальной дисперсией. При этом в пассивном двухмодовом световоде с нормальной дисперсией может быть реализована компрессия импульса, что ранее было возможно либо в усиливающих световодах, либо в случае аномальной дисперсии групповых скоростей, либо при распространении частотно-модулированных импульсов.

2. Показана возможность формирования ударной волны огибающей на переднем фронте импульса в двухмодовом пассивном световоде с дисперсией нелинейности. Ранее ударная волна на переднем фронте наблюдалась только в активных одномодовых ВС. Длина формирования ударной волны существенно зависит не только от параметров ВС, но и от начальных условий его возбуждения.

3. Для одномодового пассивного ВС с продольной неоднородностью дисперсии групповых скоростей (с гармоническим, линейным и экспоненциальным профилем продольной неоднородности) теоретически и экспериментально показана возможность сильной компрессии гауссова импульса (с коэффициентом компрессии до 50). Показано, что величина компрессии в неоднородных ВС может быть на порядки выше, чем в однородных ВС с такими же характерными длинами дисперсии и нелинейности.

4. Для нелинейного одномодового продольно неоднородного ВС теоретически и экспериментально показана возможность сильной невзаимности распространения короткого импульса. При этом выходные характеристики импульса (длительность, ширина спектра, скорость частотной модуляции, поляризация и др.) зависят от направления его распространения в световоде. Для ВС с гармоническим профилем дисперсии показано, что прямой импульс может быть значительно сжат, а обратный — уширен.

5. Показана возможность эффективного управления динамикой импульса в двухмодовом световоде за счет изменения условий его ввода в световод. Так, в одном ВС можно реализовать практически любые режимы эволюции импульса (солитонный, компрессионный, уширения) за счет лишь изменения параметров входного излучения: соотношения амплитуд и фаз мод, скоростей частотной модуляции (ЧМ) и т. д.

Практическая значимость работы. Обсуждаемые в работе результаты могут быть использованы при проектировании волоконно-оптических датчиков различного назначения, оптических логических элементов, систем управления лазерным излучением, компактных усилителей лазерных импульсов и систем оптической накачки, волоконно-оптических компрессоров лазерного излучения, а также волоконных лазеров.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. При распространении импульсов в неоднородных по длине нелинейных световодах проявляется сильная невзаимность — зависимость длительности, спектра и формы импульса от направления его распространения. Степень невзаимности (отношение выходных параметров прямого и обратного импульсов) существенно зависит от характера распределения оптической неоднородности по световоду.

2. В световодах с периодической по длине неоднородностью показателя преломления возможно формирование ударной волны огибающей на переднем фронте импульса, а также реализация сверхсветового режима распространения максимума его огибающей.

3. В пассивных двухмодовых ВС с нормальной дисперсией групповых скоростей за счет эффекта сильной межмодовой связи возможно создание волноведущей среды с отрицательной эффективной дисперсией и реализация солитонных, квазисолитонных и компрессионных режимов распространения импульсов при симметричном возбуждении световода и фазовом синхронизме мод.

4. Дисперсионные эффекты высших порядков, приводящие к уширению импульса и ограничению скорости передачи информации, могут быть значительно уменьшены или вовсе скомпенсированы в двухмодовых световодах с сильной межмодовой связью и нелинейностью. .

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской молодежной научной школе «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2005), на Третьей международной конференции по оптике лазеров для молодых ученых «LOYS-2006» (г. Санкт-Петербург, 2006), на научном семинаре в Научном центре волоконной оптики РАН (Москва, 2006), на Российском семинаре по волоконным лазерам (г. Саратов, 2008; г. Уфа, 2009), на Всероссийской молодёжной научной школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (г. Саранск, 20 062 008).

Личный вклад. Основные теоретические положения и теоретический анализ результатов диссертации разработаны совместно с соавторами основных публикаций. Проведение экспериментальной части и численное моделирование исследуемых динамических процессов проведены автором самостоятельно. Автор выражает свою признательность старшему научному сотруднику НТДВО.

РАН А. С. Сысолятину за предоставленные для исследований световоды, руководителю лаборатории Исследовательского центра оптоэлектроники г. Тампере (Финляндия) О. Г. Охотникову за предоставленную возможность проведения эксперимента, а также директору Центра нанотехнологий и материалов УлГУ И. О. Золотовскому за постоянную помощь в работе.

Публикации. По результатам исследований в рамках диссертационной работы опубликована 21 работ, 9 из них — в центральных печатных изданиях из списка ВАК.

Материал диссертации включает в себя введение, три главы, заключение и библиографический список, содержащий 130 наименований цитируемой литературы. Объем диссертационной работы составляет 140 страниц машинописного текста, количество рисунков — 37, таблиц — 3.

Выводы по главе.122.

Заключение

124.