Введение к работе
Актуальность работы.
Несмотря на более чем 30-летнюю историю. нелинейная оптика продолжает оставаться одной из бурно развивающихся областей современной физики. Разработка волоконных световодов с малыми оптическими потерями позволила не только еще раз изучить уже известные нелинейно-оптические эффекты Стакие как вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна - ВРМБ или вынужденное комбинационное рассеяние - ВКР), но и получить целый ряд новых.
Одним из наиболее важных з прикладном отношении нелинейных явлений в волоконных световодах является существование стационарных оптических импульсов - солитоноз. Обычный импульс при распространении по волоконному световоду уширяется за счет дисперсии групповых скоростей. Если импульс обладает достаточной мощностью, то необходимо принимать во внимание зависимость показателя преломления световода от интенсивности. Этот эффект приводит к нелинейной фазозой самомодуляции импульса - ФСМ. При отрицательном знаке дисперсии групповых скоростей возможна полная компенсация расплывания импульса за счет совместного действия эффектов дисперсии и ФСМ. Импульс, для которого такая компенсация имеет место, и который таким образом распространяется з световоде без искажения, называется солитоном. Такой импульс устойчив относительно слабых вариаций параметров световода и возмущений энергии самого импульса. Благодаря исключительной стабильности при распространении солитоны привлекают внимание как возможные носители информации в волоконно-оптических линиях связи. 3 связи с нарастанием
информационных потоков требования к информационной емкости таких систем с каждым годом увеличиваются. Одним из прямых способов повышения информационной емкости канала является увеличение частоты следования импульсов. В настоящее время максимальная частота следования импульсов в работающих волоконно-оптических линиях связи составляет несколько гигагерц. Большое количество экспериментальных работ продемонстрировало возможность передачи импульсов на расстояние в несколько тысяч километров с частотой следования уже в несколько десятков гигагерц. Именно в этом диапазоне частот повторения солитоны, используемые в качестве носителей информации, полностью демонстрируют свои преимущества перед обычным линейными импульсами.
Одной из проблем при создании подобных сверхскоростных систем связи является разработка источника, способного работать на частотах повторения в десятки и сотни гигагерц и генерирующего импульсы с качеством, необходимым для солитонных линий связи. Дело в том, что имульсы, которые могут быть использованы в солитонных линиях связи, должны удевлетворять нескольким требованиям, а именно:
-
Огибающая импульса должна быть близка по форме к гиперболическому секансу, т.е. к форме фундаментального солитона.
-
Импульс долженбыть спектрально ограниченными, т.е. в нем должна отсутствовать фазовая модуляция.
3. Между импульсами должна отсутствовать постоянная
составляющая, т.е. пьедестал.
В настоящее время существует несколько способов генерации
солитонных импульсов: полупроводниковый лазер с внешним резонатором и активной синхронизацией мод, полупроводниковый лазер с переключением усиления, кольцевые волоконные лазеры с активной и пассивной синхронизацией мод. Однако в случае полупроводниковых лазеров генерируемые ипульсы обладают остаточной фазовой модуляцией, а лазеры с активной синхронизацией мод имеют ограничения по частоте повторения, связанное с предельными возможностями электроники.
Сравнительно недавно для генерации высококачественных импульсов была предложена схема. получившая название "солитонного лазера", или лазера с нелинейным внешним резонатором. В такой системе дополнительным механизмом синхронизации мод является интерференция на выходном зеркале резонатора двух импульсов: одного, циркулирующего во внешнем резонаторе и обладающего фазовой модуляцией и второго, циркулирующего в основном резонаторе. В результате интерференции генерируемые импульсы поджимаются. а при соответствующей настройке совпадают по форме и спектру" с фундаментальным солитоном. Нелинейным элементом во внешнем резонаторе может быть. например, оптическое волокно с положительной или отрицательной дисперсией, либо полупроводниковая структура. Другим методом, который позволяет генерировать не только высококачественные солитонные импульсы. но и достигать частот повторения в десятки и сотни гигагерц, стал предложенный несколько лет назад метод преобразования синусоидального сигнала биений в последовательность солитонов в световоде с изменяемой по длине дисперсией группоеых скоростей. Теоретические расчеты, подтвержденные экспериментальными
- 6 - '
данными, показали, что таким методом можно получать импульсы с частотой повторения от 80 до 200 GHz- Для более высоких частот требуемые мощности выходили за рамки экспериментальных возможностей, а для более низких частот повторения необходимая длина волокна составляла несколько десятков километров, что очевидно превышало практически разумные значения.
Целью данной диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное изучение методов генерации солитонов с использованием обоих вышеупомянутых методов: метода генерации импульсов в лазере с внешним резонатором и в световоде с изменяемой по длине дисперсией. Для лазера с внешним резонатором необходимо было определить область параметров, в которой генерируемые импульсы наиболее близки по форме к фундаментальному солитону и сравнить полученные данные с экспериментом.
Для метода генерации последовательностей солитоноз в световоде с изменяемой дисперсией необходимо было найти способ снижения возможной частоты повторения до практически интересных величин в несколько десятков гигагерц при условии сохранения разумных длин системы Сне более 5-е км).
Б диссертационной работе решены следующие задачи: 1. Построена замкнутая теоретическая модель лазера с внешним резонатором, точно описывающая нелинейные эффекты, происходящие во внешнем резонаторе и процесс интерференции на зыходном зеркале лазера. Нахожденкые решения уравнений получении преимущественно аналитическими методами.
' - 7 -
2. Теоретически исследовано многосолитонное сжатие
синусоидальной последовательности сигнала биений как метода
предварительной компрессии импульсов, позволяющего полностью
использовать доступную в экспериментах мощность, при условии
сохранения качества последовательности. Разработан алгоритм,
позволяющий найти такую форму изменений дисперсии по длине
волокна, при котором процесс сжатия идет максимально быстро при
условии сохранения высокого качества генерируемых импульсов,
3. Зкспериментально реализована схема, состоящая из
волокна с постоянной дисперсией для многосолитонного сжатия
синусоидальной последовательности сигнала биений, и волокна с
переменней дисперсией для трансформации полученных импульсов в
последовательность солитонов и исследована генерация в такой
схеме последовательностей импульсов со сниженной частотой
повторения в 40 GHz.
Научная новизна диссертационной работы.
і. Предложена теоретическая модель для списания установившейся генерации в лазерах с внешним резонатором, в которой точно учитывается нелинейный набег фазы при распространении импульса во внешнем резонаторе. Для выведенного основного уравнения, описывающего форму импульса в режиме установившейся генерации, предложен метод аналитического решения, который позволил найти точное аналитическое решение для наиболее интересного случая генерации спектрально-ограниченных импульсов.
2. Предложен алгоритм численного решения задачи распространения импульса в световоде с изменяемой дисперсией, в
- 8 - J
результате которого получена зависимость дисперсии от длины -волокна, при которой процесс сжатия и трансформации происходит быстрее, чем в случае гиперболического закона изменения дисперсии, используемого при расчетах и экспериментах.
-
Теоретически и экспериментально показано, что процесс многосолитонного сжатия в случае синусоидальной последовательности сигнала биений существенно отличается от случая многосолитонного сжатия уединенных импульсов.
-
Теоретически и экспериментально показано, что в схеме, использующей многосолитонное сжатие в световоде с постоянной дисперсией и трансформацию в световоде с переменной дисперсией возможна генерация последовательностей солитонов со сниженной частотой повторения 40 GHz.
Практическая ценность работы.
Предложенный метод генерации солитонов в световоде с изменяемой по длине дисперсией групповых скоростей перспективен з качестве источника солитонов в будущих солитонных линиях связи. Разработанный в диссертации метод генерации последовательностей со сниженными частотами повторения - около 40 GHs - представляет практический интерес уже сейчас, поскольку з настоящее время разработаны модуляторы, работающие на частотах в десятки гигарец.
Найденные в результате исследований особенности многосолитонного сжатия синусоидальной последовательности сигнала биений помогли создать схему компрессии, при которой между сжатыми импульсами отсутствует пьедестал, в отличие от случая сжатия одиночных импульсов.
Проведенные численные расчеты по оптимизации формы изменения дисперсии по длине световода показали, что для минимизации длины используемых световодов вместо гиперболической формы изменения дисперсии необходимо использовать на начальном этапе форму, близкую к гиперболическому секансу.
Найденный при создании теоретической модели лазера с внешним резонатором метод решения полученного нелинейного обыкновенного дифференциального уравнения для комплексной амплитуды может быть применен также и при решении других задач динамики нелинейных систем.
Апробация результатов
Материалы диссертации были представлены на 14-ой Международной конференции по Когерентной и нелинейной оптике (КИНО-91, Ленинград, 1991), 7-ой Международной конференции по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Германия, 1991), Международной конференции по нелинейным явлениям в волноводах (Англия, 19935, 9-ой Международной конференции по сверхбыстрым процессам в спектроскопии. Европейской конференции по оптической связи ЕСОС-94, публиковались в журналах Квантовая электроника. Electronic Letters, Soviet Lightwave Communications, IEEE Photonics Technology Letters.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. 3 начале каждой глзеы имеется краткое введение, а в конце приведены основные выводы. Диссертация содержит 112
страниц машинописного текста. 64 рисунка и список литературы, состоящий из 128 наименований.
