Введение к работе
Актуальность темы. Бурное развитие лазерной физики и средств телекоммуникации привело в последние десятилетия к повышенному интересу к волоконной оптике [1,2]. Самым распространенным применением волоконных световодов (ВС) являются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), которые продолжают совершенствоваться для удовлетворения потребностей мирового сообщества в обмене информацией [3]. В последнее время активно развивается направление теоретических, экспериментальных и технологических исследований, связанное с неоднородными по длине одномодовыми ВС. Продольная неоднородность ВС может быть достигнута двумя путями: за счет изменения свойств среды ВС (например, продольного профиля показателя преломления) и за счет изменения диаметра ВС (благодаря зависимости материальных параметров от площади моды) [4]. Во втором случае при вытяжке ВС можно использовать стандартную заготовку (с однородными материальными параметрами), что является технологически более выгодным. Создание необходимых продольных профилей хроматической дисперсии открывает дополнительные возможности для управления распространяющимся в ВС лазерным излучением [5,6]. В таких ВС можно реализовать: эффективную компрессию импульсов [7]; идеальное усиление солитонов [8]; оптические невзаимные эффекты [9]; генерацию импульсов с различной формой огибающей [10] и др. Однако к настоящему времени свойства продольно- неоднородных ВС исследованы недостаточно, что связано с разнообразием всевозможных зависимостей материальных параметров ВС от продольной координаты. Еще менее изученными остаются многомодовые (в частности, двухмодовые) неоднородные по длине ВС. В них проявляется большее по сравнению с одномодовыми количество нелинейных и дисперсионных эффектов, связанных не только со взаимодействием излучения со средой ВС, но и перекрестным влиянием мод световода друг на друга.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследован. особенностей распространения гауссовых и секанс-гиперболически импульсов в однородных и неоднородных по длине одно- и двухмодовых ВС учетом дисперсионных и нелинейных эффектов, усиления И МЄЖМОДОВОІ взаимодействия импульсов; анализ влияния параметров световода ивводимог излучения на солитонную или компрессионную динамику импульс; теоретическое и экспериментальное исследование невзаимных эффектов неоднородных по длине световодах.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе был поставлены и решены следующие задачи:
исследование условий компрессии импульса в одномодовом ВС зависимости от его входных параметров и типа продольной неоднородное! дисперсии групповых скоростей (ДГС) (линейный, экспоненциальны] гармонический);
исследование возможности образования солитоноподобного импульса продольно неоднородном одномодовом ВС;
теоретическое и экспериментальное исследование оптическр невзаимных эффектов в одномодовых ВС;
получение условий солитонного, квазисолитонного и компрессионно) режимов распространения волнового пакета в двухмодовом ВС в зависимое от параметра межмодовой связи и отстройки от фазового синхронизма мод;
получение условий формирования ударных волн огибающей на передне фронте импульса в пассивных двухмодовых ВС с дисперсией нелинейности;
исследование дисперсионных эффектов высших порядков в двухмодовь ВС с сильной связью мод;
получение условий сверхсветовых режимов распространения импульсе в двухмодовых ВС с периодически неоднородным по длине показателе преломления.
Научная новизна полученных результатов выражается в том, что в работе впервые показана возможность:
формирования отрицательной эффективной дисперсии Der < О в
однородном двухмодовом световоде с положительной материальной дисперсией за счет сильной межмодовой связи. При этом в ВС могут быть реализованы солитонные и компрессионные режимы распространения импульса (для одномодового ВС это возможно либо при наличии усиления, либо в случае аномальной дисперсии групповых скоростей, либо для частотно-модулированного импульса);
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;
компрессии гауссова импульса в одномодовом пассивном ВС с продольной неоднородностью дисперсии групповых скоростей (с гармоническим, линейным и экспоненциальным профилем). Теоретически и экспериментально показано, что величина компрессии в неоднородных ВС может быть на порядки выше, чем в однородных с такими же характерными длинами дисперсии и нелинейности;
сильной невзаимности распространения короткого импульса в нелинейном одномодовом продольно неоднородном ВС. При этом выходные характеристики импульса (длительность, ширина спектра, скорость частотной модуляции, поляризация и др.) зависят от направления его распространения в ВС. Теоретически и экспериментально для ВС с гармоническим профилем дисперсии показано, что прямой импульс может быть значительно сжат, а обратный - уширен;
эффективного управления динамикой импульса за счет изменения условий его ввода в двухмодовый световод. Так, в одном и том же ВС можно
реализовать практически любые режимы эволюции импульса (солитонный, компрессионный, уширения) за счет лишь изменения параметров входного излучения: соотношения амплитуд и фаз мод, скоростей 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 излучения, а также волоконных лазеров.
Основные положения, выносимые на защиту
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.
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.
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.
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.
Достоверность результатов теоретических исследований, полученных в диссертационной работе, обеспечена адекватностью выбора соответствующих физических моделей, справедливостью используемых приближений, надежностью численных методов расчета, используемых при решении близких по тематике задач. Часть расчетов, касающихся исследования невзаимных и компрессионных эффектов в неоднородных ВС, подтверждена экспериментально.
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, 2006-2008).
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 НЦВО 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 работа, 9 из них - в центральных печатных изданиях из списка ВАК.
Объем и структура диссертации- Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации содержит 140 страниц текста, включая 37 рисунков. Список литературы включает 130 наименований.
