Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы в мире наряду с традиционными каналами передачи информации широкое применение находят так называемые оптоволоконные линии связи, по которым возможно передавать информапию с помощью последовательности коротких оптических импульсов. В связи с этим неизменный интерес вызывают проблемы генерации, распространения и взаимодействия оптических солитонов в волоконных световодах. Уникальным свойством оптических солитонов является их возможность распространения на расстояния, во много раз превышающие дисперсионную длину, сохраняя свою форму за счет баланса керроиской нелинейности и отрицательной дисперсии групповой скорости. Важным свойством оптических солитонов является их устойчивость к малым возмущениям начальных параметров и условий распространения (таким, например, как дисперсионные и нелинейные эффекты высших порядков, инерционность нелинейного отклика и т.д.). Солитоны также устойчивы к столкновениям друг с другом, что позволяет создавать схемы чисто оптического управления.
Традиционным при изучении оптических солитонов в одномодовых волоконных световодах является подход, основанный на решении нелинейного уравнения Шредингера (НУШ), которое вытекает из приближения медленно меняющихся амплитуд (ММА). Однако при переходе в диапазон длительностей импульсов менее 100 фс существенное влияние на динамику солитонов начинают оказывать эффекты рамановского самопреобразования частоты
оптических солитонов, обусловленные конечным временем релаксации нелинейного отклика среды.
Актуальным для практических приложений становится создание теоретической базы для описания нелинейных эффектов фемтосекундной солитоники. Подобные исследования предоставляют потенциальную возможность для создания целого класса принципиально новых устройств нелинейной волоконной оптики: переключателей частоты, селекторов, дискиминаторов, схем чисто оптического управления. Прогресс в этой области в значительной степени обусловлен развитием современных технологий при создании многослойных световодов с заданными дисперсионными характеристиками.
Цели диссегганионной работы
-
Методологическое исследование различных подходов к теории солитонов в фемтосекундном диапазоне длительностей, оптимизация численной схемы решения системы уравнений Максвелла в нелинейной среде и верификация с ее помощью модели модифицированного нелинейного уравненияШредингера (МНУШ).
-
Исследование возможности генерации фемтосекундных солитоноподобных импульсов в области положительной дисперсии групповой скорости.
-
Создание адекватной физической модели для описания процессов распространения и усиления фемтосекундных солитонов в спектрально-неоднородных волоконных световодах.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Предложенная модификация конечноразностного метода
решения нелинейных уравнений Максвелла обладает повышенной
устойчивостью и дисперсионными .характеристиками на два порядка
превосходящими ранее известные методы.
2. Сравнение данных прямого компьютерного моделирования
системы уравнений Максвелла и нелинейного уравнения
Шредингера показывает-, что математическая модель НУШ корректно
описьшает динамику фемтосекундньк солитонов вплоть до трех
оптических колебаний поля под огибающей импульса.
-
Существует возможность генерации фемтосекундных солитоноподобных импульсов в области положительной дисперсии групповой скорости при поддержке пары фемтосекундных противофазных солитонов.
-
В спектрально-неоднородных диспергирующих средах возможно эффективное подавление ВКР самопреобразования спектра фемтосекушшого оптического сол итопа путем захвата солитонного спектра в ловушки вида потенциальных барьеров и ям.
5. Создание в активных волоконных световодах дисперсионных
спектральных неоднороднестей позволяет аккумулировать
дополнительную энергию в солитонной компоненте излучения.
Научная новизна диссертационной работы определяется выбором для исследования актуальных, но не рассматривавшихся ранее проблем. В часности. в работе впервые:
1. изучена фемтосекундная динамика системы трех импульсов и рассчитана вероятность ее распада;
2. обнаружен эффект туннелирования спектра фемтосекундного
солитона через дисперсионные барьеры и ямы;
3. проанализировано влияние дисперсионных спектральных
неоднородностей на динамику усиления фемтосекундных солитонов
в активных световодах.
Практическая ценность результатов
1. Разработан модифицированный вариант разностной схемы с
улучшенными дисперсионными характеристиками, позволяющий
повысить точность вычислений более, чем на два порядка по
сравнению с существующими методами, адаптированный для
использования на ЭВМ класса PC.
-
Найдены приближенные аналитические решения системы связанных нелинейных уравнений Шредингера в виде связанного состояния солитонной пары и солитоноподобного импульса, распространяющегося в режиме положительной дисперсии групповой скорости.
-
Выявлены основные закономерности распространения и усиления фемтосекундных солитонов в спектрально-неоднородных средах, позволяющие инициировать создание нового класса оптических устройств на основе волконных световодов с заданными дисперсионными свойствами.
Апробация работы и публикации
Материалы диссертации были представлены на международных конференциях по лазерной физике и нелинейной оптике CLEO/Europe-EQEC'94 (Amsterdam, Netherlands, 1994), КиНО-95
(С.-Петербург, Россия, 1995), международной конференции но высокопроизводительным компьютерам HPCN'96 (Brussels, Belgium,
1996).
По результатам диссертации опубликовано 8 работ, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
