Нелинейно-оптические эффекты в волокнах связаны с увеличением мощности

Нелинейно-оптические эффекты в волокнах (связаны с увеличением мощности оптического сигнала) 1. Нелинейность, связанная с эффектами рассеяния: • Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ, SBS) • Вынужденное комбинационное рассеяние (Ландсберг, Мандельштам, Раман, Кришнан, ВКР, SRS) 2. Нелинейность, связанная с эффектом Керра: • Фазовая самомодуляция (SPM) • Фазовая кросс-модуляция (XPM) • Четырёхволновое смешение • Формирование солитона 3. Генерация гармоник

Повторяется все нелинейно, Странным дублем ложится на круг: Параллельно, узкоколейно – В горизонте смыкается вдруг, А потом, рассыпаясь на части, Вдруг срастается новый фрактал Вероника Ткачёва

• Нелинейная оптика изучает процессы взаимодействия света и вещества, параметры протекания которых зависят от интенсивности света. • Для нелинейнооптических эффектов характерно нарушение принципа суперпозиции световых волн: могут возникать новые спектральные компоненты поля, различные световые волны взаимодействуют между собой вплоть до полного преобразования энергии одной волны в другую. • Модель нелинейного осциллятора основана на общем Уравнении колебаний одномерного осциллятора, где U(x) – потенциальная энергия связанного заряда, g - коэффициент затухания колебаний. Конкретный вид нелинейности определяется типом осциллятора: если в среде центра симметрии нет (например, анизотропные кристаллы) в разложении U(x) может появиться кубический член – возникает квадратичное нелинейное уравнение колебаний; если U(x) – четная функция (система имеет центр симметрии – газы, жидкости, стекла) – уравнение осциллятора имеет кубическую нелинейность. Очевидно, что влияние нелинейных слагаемых усиливается с ростом напряженности Е. Физическими причинами, определяющими появление нелинейных восприимчивостей могут быть: нелинейный отклик свободного или связанного электрона, нелинейные колебания многоатомных молекул и кристаллической решетки, возбуждение светом дрейфа и диффузии зарядов в кристаллах, индуцированная светом ориентация анизотропных молекул, электрострикция, тепловые эффекты и т. п.

Световое поле, осциллирующее на частоте вызывает поляризацию среды. При взаимодействии интенсивного светового поля с прозрачной нелинейной средой колебания атомного осциллятора (электрона, связанного с атомным остовом) ангармоничны и поляризация становится нелинейной функцией электрического поля. Ее можно представить в виде степенного ряда нелинейный набег фазы

Фазовая самомодуляция (SPM)

Спектральное уширение в волокне вследствие фазовой самомодуляции Эксперимент Расчет R. H. Stolen and C. Lin, Phys. Rev. A. 17, 1448 (1978).

Нелинейные эффекты в волокнах представляет собой нелинейный процесс, который проявляется в виде генерации стоксовой волны, распространяющейся в обратном относительно волны накачки направлении и содержащей значительную часть начальной энергии. В процессе ВРМБ участвует акустический фонон. В квантовой механике ВРМБ описывается как уничтожение фотона накачки и одновременное появление стоксова фотона и акустического фонона. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что

Процесс ВРМБ можно описать классически как параметрическое взаимодействие между волнами накачки, стоксовой и акустической. Благодаря электрострикции, накачка генерирует акустическую волну, приводящую к периодической модуляции показателя преломления. Индуцированная решетка показателя преломления рассеивает излучение накачки в результате брэгговской дифракции. Фазовый синхронизм при ВРМБ обеспечивается тем, что частота и волновой вектор акустической волны должны удовлетворять д и с п е р с и о н н о м у с о о т н о ш е н и ю максимальный сдвиг ВРМБ

Графики зависимости коэффициента усиления ВРМБ слабого сигнала в стандартном и фосфорном волокне от частотной отстройки. Длина волны накачки 1, 5 мкм.

Лазер накачки l. P Волокно l. P l. S l. P - длина волны накачки l. S - длина волны Стокса

Первое наблюдение ВКР в стеклянных световодах

Уравнение для начального роста стоксовой волны IS, P – интенсивности волн Стокса и накачки, g. R – коэффициент усиления стационарного ВКР, a. S, P – потери на стоксовой частоте и частоте накачки Решение в приближении заданной накачки Результат численного моделирования ВКР генерации в реальном кварцевом волокне

Принцип ВКР усиления в волокне

Принципиальная схема ВКР-усилителя с использованием накачки на нескольких длинах волн с различной поляризацией. Изоляторы Фарадея

Экспериментальные результаты ВКР - усиления

Проявление эффекта четырехволнового смешения в волокне

А Четырехволновое смешение в волокне с нулевой (А) и ненулевой дисперсией (Б) Б

Нелинейно-оптические методы компенсации хроматической дисперсии Один из интереснейших методов компенсации хроматической дисперсии основан на инверсии спектра световых импульсов, например при четырехволновом смешении. Инверсия спектра световых импульсов тесно связана с явлением обращения волнового фронта (ОВФ). ОВФ позволяет компенсировать пространственные искажения волнового фронта световых волн, а спектральная инверсия позволяет компенсировать временные искажения световых импульсов. В устройстве спектральной инверсии происходит преобразование оптического спектра светового сигнала так, что компоненты с частотой преобразуются в компоненты с частотой ω', причем выполняется равенство: ω‘ =2ωp- ω, где ωp - частота волны накачки.

Обзор нелинейнооптических явлений в волокне

Краткая история солитонов • Открытие солитона как физического явления относится к 1834 г. , когда английский инженер-судостроитель Джон Рассел случайно проследил за поведением одиночной носовой волны, возникшей в канале при внезапной остановке баржи. Оторвавшись от носа баржи, волна распространялась, не меняя скорости, высоты и формы, на несколько километров.

• В 1971 г. русские ученые Захаров и Шабат теоретически доказали существование солитонов в нелинейных дисперсных средах, решив уравнение Шредингера, описывающее распространение электромагнитной волны в такой среде. • В 1973 г. американские исследователи Хасегава и Тапперт заявили о возможности использования солитонных волн в оптоволокне, а в 1980 г. коллектив исследователей Bell Laboratories во главе с Молленауэром подтвердил это экспериментальным путем. • «Оптические солитоны» - это волны (или волновые пакеты) специальной формы, возбуждаемые лазерным источником света в световоде при совместном действии дисперсионных и нелинейных эффектов в области аномальной дисперсии. Солитоны могут распространяться в оптоволокне на значительные расстояния (несколько тысяч километров) практически без искажения формы и сохраняться при столкновениях друг с другом (т. е. восстанавливать направление движения, скорость и амплитуду, демонстрируя свойства, характерные для частиц).

Обоснование явления солитона в гидродинамике Так ведёт себя нелинейная волна на поверхности воды при отсутствии дисперсии. Её скорость не зависит от длины волны, но увеличивается с ростом амплитуды. Если среда обладает дисперсией, длинные волны в ней побегут быстрее коротких, выравнивая крутизну фронта. В определённых условиях дисперсия полностью компенсирует влияние нелинейности, и волна будет долго сохранять свою первоначальную форму — образуется солитон.

Нелинейные волны В 1895 году голландский ученый Дидерик Иоханнес Кортевег и его ученик Густав де Фриз нашли точное уравнение, волновые решения которого полностью описывают происходящие процессы. Волны Кортевега - де Фриза имеют несинусоидальную форму и становятся синусоидальными (а) только в том случае, когда их амплитуда очень мала. При увеличении длины волны они приобретают вид далеко разнесенных друг от друга горбов (б), а при очень большой длине волны остается один горбик, который и соответствует "уединенной" волне (в). В 1964 г. волновое решение уравнения Кортевега-де Фриза было названо солитонной, или одиночной, волной и приложено к описанию нелинейных волн. Начальный импульс согласно ему должен иметь форму гиперболического секанса.

Совместное действие фазовой самомодуляции и дисперсии групповых скоростей в световоде в области отрицательных дисперсий является одной из основных причин, которая объясняет возникновение оптических солитонов Формирование солитона (а) и его спектра (б) из гауссовского импульса в среде с отрицательной ДГС ; ( Δ ω н ) — нормированная расстройка частотного спектра; Tn=T/To — нормированное время, где To — начальная длительность солитона

Схема солитонной линии связи с ВКР-усилителями

Волоконно-оптические усилители • 1. Усилители на легированном волокне • 2. Рамановские усилители • 3. Полупроводниковые усилители З 1 АЭ Накачка а) Лазер З 2 Iвх АЭ Iвых Накачка б) Усилитель

Спектральные каналы волоконно-оптических линий связи

Схема энергетических уровней эрбиевого волокна S-band C-band

• 1. Усилители на Er 3+ легированном волокне Накачка 980 нм (c Yb) или 1480 нм, а усиление 1525 – 1565 нм: одна накачка обеспечивает усиление всех каналов, работающих в области 1525 – 1565 нм Ga. As

Празеодимовые и неодимовые волоконные усилители для второго телекоммуникационного окна 1. 3 μm - О-band

Тулиевые волоконные усилители Усилительные системы на основе волокна, активированного ионами тулия (thulium-doped fiber amplifier - TDFA) используются в телекоммуникациях S-окна с длиной волны 1. 46 -1. 530 μm E-band S-band

Вид волоконных усилителей

Информационная ёмкость Дальнейшее увеличение информационной ёмкости (BL, где В – пропускная способность линии, L – дальность передачи) возможно на основе объединения технологий: а)Дисперсионное управление: - средняя дисперсия - период б) Спектральное уплотнение: Передача данных по одному волоконному световоду на различных частотах Пропускная способность: - скорость передачи в одном канале - число каналов Каналы (№): 1 2 3 4 5 6 7 8

Мультиплексирование с разделением по длине волны WDM (Wavelength-Division Multiplexing) DWDM – Dense Wavelength-Division Multiplexing (Плотное мультиплексирование с разделением по длине волны) Начиная с 1970 года использовался диапазон 1310 нм и для каждого потока информации использовалась своя жила оптоволокна. Затем был освоен диапазон 1550 нм и стали использовать технологию WDM (ранний двухканальный)

Демультиплексоры/мультиплексоры на основе дифракции Угловая дисперсия дифракционной решётки пространственно разводит лучи с различными длинами волн

Демультиплексоры/мультиплексоры на основе интерференции - Интерферометр Фабри-Перо Интерферометр Ф-П - тонкий оптический фильтр, настраиваемый путём изменения зазора между пластинами с помощью пьезоэлектричекого преобразователя

Демультиплексоры/мультиплексоры на основе дифракции – решётка Брэгга Последовательность полуотражающих параллельных пластин (зеркал), расположенных на расстоянии d. Если Ein состоит из набора различных длин волн, то для некоторых l будет создано условие отражения (l. R = - 2 d/n, где n = +/- 1, +/-2, …). А остальные длины волн выйдут справа. Решётка Брэгга – полосовой фильтр. Fiber Bragg Grating (FBG) – состоит из отрезка оптического волокна, показатель преломления которого периодически изменяется по длине волокна. Метод изготовления – германий-силикатная сердцевина волокна облучается УФ через шаблон с период прозрачности, равным периоду изготавливаемой решётки и в сердцевине образуются оптические дефекты, приводящие к изменению показателя преломления

Оптическая схема лабораторной установки для записи волоконных брэгговских решеток Лазерное излучение с помощью системы плоских зеркал 2 и телескопической системы 3 преобразуется в параллельный пучок с диаметром ~ 10 мм, который падает на цилиндрическую линзу 4. Световод 7 располагается в фокальной плоскости линзы. Интерференционная картина, с помощью которой в волоконном световоде формируется брэгговская решетка, образуется в интерферометре Ллойда, в котором с помощью диэлектрического зеркала 6 одна половина лазерного пучка сводится с другой половиной под углом α. Угол интерференции α задается с помощью поворотного столика 5, на котором расположено зеркало 6.

Брэгговская решетка с переменным периодом

Волноводные спектральные мультиплексоры AWG — arrayed waveguide grating

Принцип работы волноводного мультиплексора

Рекомендации Международного союза электросвязи (ITU-T) по назначению дли волн, используемых в системах WDM, для шага сетки несущих частот 50 и 100 ГГц

Оптические разъёмы • • Используются в местах многократного соединения/разъединения – в коммутационных панелях или соединительных кроссах. Вносят большие потери чем сростки кабеля (до 0. 4 д. Б) Ферул – керамический наконечник, внешним диаметром 1. 25 мм или 2. 5 мм. Торец оптоволокна полируется плоско или сферически (для уверенного оптического контакта и исключения обратного отражения)

Неразъёмные соединения волокон 1. Механическое соединение – сросток длиной 6 см и диаметром 1 см. Сросток осуществляется путём выравнивания двух концов волокон и их надёжного механического соединения, а затем обвязкой клеевым покрытием. Вносимые потери велики – до 0. 8 д. Б. Используется в основном для временных соединений. 2. Сварное соединение – используется для качественного постоянного соединения одномодового и многомодового волокна. Вносимые потери: 0. 04 – 0. 1 д. Б. Подготовка волокна для сращивания: а) Зачистка волокна – удаление оболочки волокна термическим или механическим методом; б) Очистка поверхности от остатков акриловой оболочки и жировых пятен; в) Формирование концевого угла волокна – необходимо иметь угол < 20; г) Выравнивание концов двух волокон, путём их перемещения в координатах X-Y. Процесс сварки использует электрическую дугу для разогрева и сваривания Fujikura

Волоконно-оптические разветвители (Couplers) • • • 1. Комбайнер (Combiner) – обычно имеет один выходной порт и два или больше входных портов. 2. Сплиттер (splitter) – обычно имеет один входной порт и несколько выходных портов. 3. Древовидный разветвитель (tree coupler) – устройство, принимающее сигнал на один вход и распределяющее его на несколько выходов. 4. Звёздообразный разветвитель (star coupler) – многопортовое устройство, имеющее минимум два входных порта и два или более выходных портов. 5. Широкополосный разветвитель (разветвитель, нечувствительный к длине волны) – устройство, работающее в двух окнах прозрачности (1310 нм и 1550 нм) и вносящее одинаковые потери для этих длин волн 6. Мультиплексоры-демультиплексоры с разделением по длине волны – устройства распределения светового сигнала в зависимости от длины волны

Создание разветвителей Два отрезка оптоволокна, контактирующие бок о бок подвергаю нагреву и сплавлению. Коэффициент разветвления можно задать, изменяя длину области связи Z или радиусы сплавляемых частей волокон. Типичный вариант разветвителя мощности 50: 50. При работе на двух длинах волн (1300 нм на входе а 1 и 1550 нм на входе а 2) можно подобрать длину области связи такой, что свет с длиной волны 1300 нм из а 1 перейдёт в в 2, а затем обратно в в 1. А свет с длиной волны 1550 нм перейдёт из а 1 в в 1. Т. е. таким разветвителем можно добиться объединения (или разделения) двух длин волн.

Деревовидный разветвитель

Звездообразный разветвитель Световой поток, поступающий на один из входных портов звёздообразного разветвителя передающего типа, разветвляется на все выходные порты равномерно. Например, свет, поступающий на входной порт E разветвляется на выходные порты G, H, I, J, K и L.

Устройство волоконного лазера

Требуется для использования в промышленности СО 2 YAG-Nd с ламповой накачкой Выходная мощность, к. Вт 1. . . 30 Длина волны, мкм как можно меньше BPP, мм х мрад YAG-Nd с диодной накачкой Диодные лазеры Волоконные лазеры Сравнение лазеров различных типов 1. . . 5 1. . . 4 Преимущества волоконных лазеров 1. . . 4 1. . . 30 10, 6 1, 064 или 1, 03 0, 8. . . 0, 98 1, 07 < 10 3. . . 6 22 22 > 200 1, 3. . . 14 КПД, % > 20 8. . . 10 2. . . 3 4. . . 6 25. . . 30 20. . . 25 Дальность доставки излучения волокном 10. . . 300 отсутствует 20. . . 40 10. . . 50 10. . 300 Стабильность выходной мощности как можно выше низкая высокая очень высокая Чувствительность к обратному отражению как можно ниже высокая низкая Занимаемая площадь, кв. м как можно меньше 10. . . 20 11 9 4 0, 5 Стоимость монтажа, отн. ед. как можно меньше 1 1 0, 8 0, 2 < 0, 05 Стоимость эксплуатации, отн. ед. как можно меньше 0, 5 1 0, 6 0, 2 0, 13 Стоимость обслуживания, отн. ед. как можно меньше 1. . . 1, 5 1 4. . . 12 4. . . 10 0, 1 Периодичность замены ламп или лазерных диодов, час. как можно больше - 300. . . 500 2000. . . 5000 > 50 000 Параметр

Основные преимущества Выходная мощность до 120 Вт Качество пучка М 2 < 1, 05 Длина транспортного волокна до 20 м Компактный прочный корпус Воздушное охлаждение Ресурс диодов накачки более 50 000 часов Линейная поляризация излучения (опция) Опции Линейная поляризация Длина волокна до 20 м Области применения Пайка Микросварка Термообработка Гравировка Медицинские приборы Научное приборостроение Непрерывные иттербиевые лазеры

Линейка мощных и сверхмощных промышленных волоконных лазеров включает в себя модели от 100 Вт до десятков к. Вт. Ном. выходная мощность 20. 0 к. Вт Макс. выходная мощность 21. 0 к. Вт Длина волны 1070 нм Выходное волокно 100 - 200 мкм Длина вых. волокна до 50 м BPP < 5 (10) ммxмрад Занимаемая площадь 800 x 2060 мм Высота 1500 мм КПД > 29%

Cверхплотная и сверхбыстрая передача информации Системы электронной связи Системы волоконно-оптической связи Системы мультиплексирования по длинам волн Структура волоконно-оптических линий связи на большие расстояния Перспективы развития сверхплотной и сверхбыстрой передачи информации

Временное уплотнение телефонных цифровых сигналов

Цифровые линии связи с телефонными кабелями

Стандарт волоконной оптической связи SONET – synchronous optical network – синхронная оптическая сеть в временным уплотнением

Структурная схема линии связи, применяемой для создания подсистемы внешних магистралей

Схема использования волоконно-оптических линий

Кольцевая волоконно-оптическия сеть Sprint https: //www. sprint. net/images/network_maps/full/North. America-MPLS. png By 1986, Sprint led all U. S. telecom companies by completing the first nationwide, 100% digital, fiber-optic network.

Всемирная волоконная сеть Sprint https: //www. sprint. net/index. php

Фазовое кодирование информации в ВОЛС Двухбитовое Четырехбитовое 00, 01, 10, 11 Используя 2 состояния поляризации Можно с помощью 25 ГГц полосы Передать до 100 Гб/с

Принцип 4 -х битового фазового кодирования

Блок-схема системы 4 -х фазового кодирования используя 2 состояния поляризации Передатчик Приемник

Использование двух лазерных каналов с интервалом 20 ГГц Спектральные профили трех каналов В двойном канале возможно кодирование 8 битами – при скорости передачи символа 14 Гб/с - скорость 112 Гб/с

Развитие электронных (ETDM) и оптических (OTDM) систем временного уплотнения

Тенденции развития систем спектрального и временного уплотнения

Использование фемтосекундных импульсов для систем спектрального уплотнения

Сверхплотная передача информации с использованием чирпирования фемтосекундного импульса

Спектр выходного излучения из микроструктурного волокна, при накачке излучением фемтосекундного лазера на сапфире с титаном

Широкополосный гиперконтинуум имеет полосу частот по уровню 1% равную 400 ТГц, что позволяет создать 8000 информационных каналов разнесенных на 50 ГГц. При использовании скорости передачи по одному каналу 10 Гб/с, с использованием данного гиперконтинуума возможна передача 80 Тб/с, а при скорости в канале 40 Гб/c – до 320 Тб/с.

Литература • • • Journals in Internet Laser Focus World – www. laserfocusworld. com WDM Solutions – www. wdm-solutions. com Lightwave Europe – www. lightwave-europe. com