Введение к работе
Актуальность темы:
В оптике интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов эффект генерации спектрального суперконтинуума является фундаментальным и может наблюдаться практически во всех оптических средах. В настоящее время большое внимание уделяется анализу возможностей практического использования фемтосекундных спектральных суперконтинуумов. Излучение со сверхшироким спектром уже нашло применение для формирования предельно-коротких импульсов, в оптической когерентной томографии, в нелинейной микроскопии, в системах сверхбыстрой передачи информации и других приложениях.
Двухлучевая интерференция спектральных суперконтинуумов приводит к формированию квазидискретной структуры спектра излучения. Эти квазидискретные спектры интересны для различных применений. Их, например, можно рассматривать как множество отдельных источников излучения с различными центральными частотами и использовать в оптических системах связи при мультиплексировании по длине волны (WDM системы связи). Однако в работах, посвященных такому применению квазидискретных спектральных суперконтинуумов, как правило, рассматривалась интерференция двух импульсов со сверхширокими спектрами, которые были задержаны друг относительно друга на временной интервал, значительно больший длительности каждого импульса. На момент начала настоящей работы актуальной была задача разработки новых физических принципов сверхбыстрой передачи информации квазидискретными спектральными суперконтинуумами, сформированными при временной задержке между интерферирующими импульсами, меньшей, чем их длительности. Важным при этом было изучить параметры когерентности спектральных суперконтинуумов и их влияние на временные и спектральные характеристики результирующего излучения, которое получается при двухлучевой интерференции с малой задержкой между импульсами со сверхширокими спектрами.
Цель работы состояла в теоретическом и экспериментальном исследовании основных закономерностей интерференции сонаправленных спектральных суперконтинуумов, которые сформированы фемтосекундными лазерными импульсами, при временном сдвиге между интерферирующими импульсами, меньшем их длительности и приложений этих закономерностей в оптических системах сверхбыстрой передачи информации.
Для достижения цели решались следующие задачи:
-
Исследование зависимости времени когерентности спектрального суперконтинуума, генерируемого в нелинейной оптической среде, от центральной длины волны излучения фемтосекундного лазерного импульса на входе в среду.
-
Исследование интерференции фемтосекундных спектральных суперконтинуумов при временном сдвиге между интерферирующими импульсами, меньшем их длительности.
-
Разработка самореферентного способа измерения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких оптических импульсов.
-
Разработка и экспериментальная реализация способа кодирования информации путем частотного мультиплексирования одного квазидискретного спектрального суперконтинуума.
-
Создание экспериментального макета устройства генерации и кодирования квазидискретного спектрального суперконтинуума для оптических систем сверхбыстрой передачи информации.
Методы исследования:
Численное моделирование поставленных в рамке данной работы задач производилось на основе нелинейного уравнения динамики непосредственно электрических полей оптических импульсов из малого числа колебаний, а не их огибающих и было выполнено с помощью программного комплекса LBullet, а обработка полученных данных происходила в программном пакете MathCad.
Для экспериментальной верификации профилирования спектрального суперконтинуума в проекте использовался фемтосекундный лазер на Ti:S, генерирующий импульсы длительностью 10-100 фс, с частотой повторения 100 МГц и средней мощностью 300 мВт, а в качестве генератора когерентного спектрального суперконтинуума - оптическое микрострукту- рированное волокно МС-38. Для экспериментальной реализации метода кодирования информации путем частотного мультиплексирования квазидискретного спектрального суперконтинуума была использована система спектрального мультиплексирования каналов, состоящая из призмы, линзы и зеркала с матрицей кодировки и представляющая собой двойной монохроматор. При создании экспериментального макета устройства оптической системы передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом со скоростью 1,12 Гб/с использовалась волоконная фемтосекундная лазерная система с шириной спектрального суперконтинуума 1310 - 1610 нм, частотой следования импульсов 70 МГц, оптические волоконные модуляторы и сверхбыстрые фотоприемники.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
-
Методами численного моделирования и аналитически показана, а также экспериментально верифицирована возможность формирования последовательности сверхкоротких световых субимпульсов с терагерцовой частотой повторения в результате интерференции двух фемтосекундных спектральных суперконтинуумов, генерируемых в области нормальной групповой дисперсии оптической среды, при временном сдвиге между интерферирующими импульсами, меньшем их длительности.
-
Предложен самореферентный способ измерения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких оптических импульсов, заключающийся в том, что исследуемый сверхкороткий импульс направляют на двухлучевой интерферометр, с помощью автокоррелятора регистрируют формируемую последовательность и по числу субимпульсов, составляющих эту последовательность, и длительности всей последовательности определяют искомый коэффициент.
-
Предложен способ сверхбыстрой передачи информации парой интерферирующих фемтосекундных оптических импульсов со сверхширокими спектрами путем такого кодирования информации в квазидискретном спектральном суперконтинууме, что каждая спектральная линия в нем рассматривается как 1 бит информации. Экспериментально продемонстрирована оптическая запись и передача по одномодовому оптическому волокну 45 бит информации одним квазидискретным спектральным суперконтинуумом общей длительностью 900 фс.
-
Создан экспериментальный макет устройства сверхбыстрой передачи информации парами интерферирующих фемтосекундных спектральных суперконтинуумов, работающий в диапазоне длин волн от 1310 нм до 1610 нм, использующий 16 спектральных линий шириной 20 нм и обладающий скоростью передачи информации в двоичной системе 1,12 Гбит/с, при частоте повторения следования спектральных суперконтинуумов 70 МГц.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-
-
-
Теоретически разработан и экспериментально верифицирован способ формирования последовательности сверхкоротких импульсов с терагерцовой частотой повторения на основе двухлучевой интерференции волн со сверхширокими спектрами.
-
Разработан и экспериментально верифицирован самореферентный способ измерения параметров фазовой модуляции оптических сверхкоротких импульсов, позволяющий прямое определение коэффициента квадратичной фазовой модуляции.
-
Разработан способ сверхбыстрой передачи информации квазидискретными спектральными пакетами, который экспериментально апробирован при создании мобильного образца системы кодирования и сверхбыстрой оптической передачи информации в каждом квазидискретном спектральном пакете.
Достоверность полученных результатов обоснована тем, что разработанные способы генерации последовательности сверхкоротких импульсов и измерения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких импульсов апробированы экспериментально. На основе разработанных физических принципов оптической сверхбыстрой передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом разработан мобильный образец устройства, реализующего эти принципы.
Практическую ценность представляет собой то, что:
-
-
-
-
Предложенный самореферентный способ измерения параметров фазовой модуляции может быть использован для прямого и быстрого определения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких импульсов.
-
Разработанный экспериментальный макет устройства сверхбыстрой передачи информации с использованием квазидискретного спектрального суперконтинуума может быть использован в системах волоконных оптических линий связи.
Практическая реализация результатов работы:
Результаты работы использовались при выполнении проектов в рамках государственных контрактов, грантов РФФИ и аналитических ведомственных программ Министерства образования и науки. В рамках программы «У.М.Н.И.К.» два года подряд проводились НИР «Способ передачи информации при помощи квазидискретного спектрального суперконтинуума со скоростью свыше 10 Тб/с» (2008-2009 г.г.) и «Разработка экспериментальной установки для передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом со скоростями свыше 10 Тб/с» (2009-2010 г.г.) Диссертант также был руководителем государственного контракта №14.132.21.1392 и гранта РФФИ №12-02-31633 в 2012 году.
Апробация работы:
Результаты диссертационной работы апробировались на 19 Международных и Российских конференциях: Международной конференции LOYS (Санкт- Петербург, 2012), Международных конференциях "Фундаментальные проблемы оптики" (Санкт-Петербург, 2006, 2010, 2012), Российском семинаре по волоконным лазерам (Новосибирск, 2012), Международных конференциях молодых ученых и специалистов "Оптика" (Санкт-Петербург 2007, 2009, 2011), Международной конференции "Nonlinear Optics: East-West Reunion" (Суздаль, 2011), Научно-технической конференции - семинаре по фотонике и информационной оптике (Москва, 2011), XI Всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (г. Звенигород, Московская область, 2007), научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2008, 2010, 2011), Всероссийских межвузовских конференциях молодых учёных (Санкт-Петербург, 2007, 2008), научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012, 2013), Научно-практической конференции "Фотоника и информационная оптика-2011" (НИЯУ МИФИ, Москва, 2011).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 в изданиях списка ВАК и 1 патент РФ.
Личный вклад
Научным руководителем была сформулирована цель исследования. Диссертант принимал участие в постановке и решении задач, обработке, обсуждении и отборе полученных результатов. Все результаты численного моделирования и экспериментов, представленные в работе, а также их анализ, выполнены лично диссертантом.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 115 страниц, включая библиографию из 105 наименований. Работа содержит 60 рисунков, размещенных внутри глав.
Похожие диссертации на Двухлучевая интерференция фемтосекундных спектральных суперконтинуумов
-
-
-
-
-
-
