Волоконные ВКР-лазеры

Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР)-нелинейный процесс, который позволяет использовать световоды в качестве широкополосных ВКР-усилителей и перестраиваемых ВКР-лазеров. Но, с другой стороны, этот же процесс может резко ограничить характеристики многоканальных оптических линий связи из-за переноса энергии из одного канала в соседние каналы. В этой главе рассматриваются как применения ВКР, так и паразитные эффекты, связанные с ним. В разд. 8.1 представлены основы теории комбинационного рассеяния, причем подробно обсуждается понятие порога ВКР. В разд. 8.2 рассмотрено ВКР непрерывного или квазинепрерывного излучения. Там же обсуждаются характеристики волоконных ВКР-лазеров и усилителей и рассматриваются перекрестные помехи в многоканальных оптических линиях связи, обусловленные ВКР. ВКР сверхкоротких импульсов (СКИ), возникающее при импульсах накачки длительностью менее 100 пс, рассмотрено в разд. 8.3 и 8.4. В разд. 8.3 рассматривается случай положительной дисперсии групповых скоростей, а разд. 8.4 посвящен изучению солитонных эффектов при ВКР, возникающем в области отрицательной дисперсии групповых скоростей волоконного световода. Особое внимание уделено совместному действию дисперсионного уширения импульса с фазовой самомодуляцией (ФСМ) и фазовой кросс-модуляцией (ФКМ). [c.216]

При первой демонстрации [9] волоконного ВКР-лазера использовался короткий световод (L= 1,9 м) и пороговая мощность была [c.226]

Когда ВКР-лазер накачивается цугом импульсов, каждый стоксов импульс после обхода резонатора должен быть достаточно точно синхронизован с одним из следующих импульсов накачки. Однако добиться такой синхронизации относительно легко. Из множества длин волн, лежащих в широкой полосе ВКР-усиления, в лазере может генерироваться излучение на некоторой длине волны, удовлетворяющей требованию синхронности накачки. Кроме того, длину волны генерации можно подстраивать простым изменением длины резонатора. Этот метод можно считать основанным на временной дисперсии [34], чтобы отличить его от призменной подстройки (см. рис. 8.4), основанной на пространственной дисперсии в призме. Метод временной дисперсии весьма эффективен при перестройке импульсных волоконных ВКР-лазеров в широком диапазоне длин волн. Скорость перестройки можно получить следующим образом. Если длина резонатора меняется на AL, временная задержка А/ должна компенсироваться таким изменением длины волны А , чтобы выполнялось [c.227]

ВОЛОКОННЫЕ ВКР-ЛАЗЕРЫ С СИНХРОННОЙ НАКАЧКОЙ [c.245]

ПС при помещении компрессора внутрь резонатора волоконного ВКР-лазера [47]. Расстояние между решетками регулировалось для получения слегка отрицательной дисперсии при полном обходе резонатора лазера, т. е. пара решеток не только компенсировала положительную дисперсию световода, но и обеспечивала для импульсов. [c.246]

Перестраиваемый волоконный ВКР-лазер использовался и для демонстрации усиления фемтосекундных оптических импульсов в волоконном ВКР-усилителе в условиях как попутной, так и встречной волн накачки [105]. Попутная накачка использовалась в схеме, где 500-фемтосекундные импульсы сначала проходили через отрезок световода длиной 100 м, где в результате действия дисперсии они уширялись до 23 ПС. Уширенные импульсы вместе с импульсами накачки длительностью 50 пс на длине волны 1,06 мкм вводились в усилитель, состоявший из 1-метрового световода. Усиленные импульсы сжимались в решеточном компрессоре. Сжатые импульсы были несколько шире (600-700 фс) исходных, но усилены по энергии в 15 ООО раз, когда мощность импульсов накачки составляла 150 кВт. Эксперимент показал, что частотная модуляция 23-пикосекундных исходных импульсов мало изменяется при усилении. Это указывает на возможность использования ВКР сверхкоротких импульсов в световодах не только для генерации фемтосекундных импульсов, но и для получения высоких пиковых мощностей. [c.247]

Режим ВКР может считаться непрерывным для импульсов накачки длительностью 1 не, поскольку длина группового разбегания L , определенная выражением (8.1.21), обычно превышает длину световода L. Однако для сверхкоротких импульсов длительностью Tq < 100 ПС обычно L r < L. ВКР, таким образом, ограничивается разницей групповых скоростей и возникает только на расстояниях г даже если действительная длина световода L значительно больше В то же время благодаря относительно высоким пиковым мощностям становятся важными такие нелинейные эффекты, как ФСМ и ФКМ они могут существенно влиять на эволюцию импульсов накачки и ВКР. В данном разделе обсуждаются экспериментальные и теоретические аспекты ВКР сверхкоротких импульсов в области положительной дисперсии групповых скоростей световодов [90 112]. Следующий раздел посвящен случаю отрицательной дисперсии, где действуют солитонные эффекты, использование которых привело к появлению волоконных солитонных лазеров. [c.234]

В первой экспериментальной демонстрации волоконного солитонного ВКР-лазера [132] накачкой служили 10-пикосекундные импульсы от лазера на центрах окраски на длине волны 1,48 мкм. Кольцевой резонатор включал 500 м сохраняющего поляризацию одномодового световода со смещенной дисперсией, длина волны нулевой дисперсии [c.252]

За последние 15 лет изучение нелинейных эффектов в оптических волокнах привело к созданию новой области нелинейной оптики, получившей название нелинейной волоконной оптики. Результаты интенсивных исследований в этой области важны как для фундаментальной науки, так и для технических приложений. Использование волоконных световодов для сжатия импульсов позволило получить оптические импульсы длительностью 6 фс. Были разработаны новые типы лазеров волоконные ВКР-лазеры и солитонные лазеры, в которых используются нелинейные эффекты в волоконных световодах. Тем не менее, несмотря на то, что нелинейная волоконная оптика уже достигла определенного уровня зрелости, в научной литературе есть лишь несколько обзоров, а большинство материалов осталось расфедоточенным в оригинальных статьях. Цель данной книги-дать общий обзор различных нелинейных явлений в волоконных световодах. Это современная монография, и, возможно, она стимулирует дальнейшие работы в области нелинейной волоконной оптики, поскольку в ней сконцентрирован материал, рассеянный по многим источникам. [c.7]

Уширение спектра, вызванное ФКМ, наблюдалось экспфимен-тально в конфигурации накачка-сигнал . В эксперименте [52] 10-пикосекундные импульсы накачки были полуены от лазера на центрах окраски, работающего на длине волны 1,51 мкм, в то время как сигнальные импульсы на длине волны 1,61 мкм генерировались в волоконном ВКР-лазере (см. разд. 8.2.2). Длина дисперсионного разбегания составляла 80 м, в то время как дисперсионная длина превышала 10 км. Наблюдались как симметричные, так и асимметричные спектры сигнального излучения, по мере того как длина световода возрастала с 50 до 400 м. Эффективная задержка между импульсами изменялась за счет расстройки резонатора волоконного ВКР-лазера. [c.203]

До сих пор в этой главе мы рассматривали ФКМ двух волн, распространяющихся в одном и том же направлении эти волны отличались друг от друга длинами волн или состояниями поляризации. Третий возможный случай когда две волны с одинаковыми частотами и состояниями поляризации распространяются по световоду в противоположных направлениях. Прямая и обратная волны будут взаимодействовать друг с другом за счет ФКМ. Такое взаимодействие может привести к качественно новым свойствам, проявляющимся в виде оптической бистабильности [63 66], когда волоконный световод используется для создания нелинейного кольцевого резонатора. Также это может привести к оптическим неустойчивостям и хаосу [67, 68]. Особый интерес представляет невзаимность, вызванная ФКМ она может воздействовать на работу волоконных гироскопов [69- 74] и волоконных ВКР-лазеров [75]. [c.209]

Важным применением явления ВКР в световодах стало развитие волоконных ВКР-лазеров [31-49], Такие лазеры не только имеют более низкий порог, чем однопроходное ВКР, но и могут перестраиваться в широком частотном диапазоне ( 10 ТГц), На рис, 8,4 схематически показан волоконный ВКР-лазер, Отрезок одномодового световода помещен внутрь резонатора Фабри-Перо, образованного частично отражающими зеркалами Mj и М . Резонатор обеспечивает резонансную частотно-избирательную обратную связь для стоксова излучения, возникающего в световоде благодаря ВКР. Внутрирезонаторная призма позволяет перестраивать длину волны лазерного излучения путем поворота зеркала М . Порог генерации лазера соответствует мощности накачки, при которой комбинационное усиление за обход резонатора компенсирует потери в резонаторе, состоящие из потерь на зеркалах и потерь при переводе отраженного от зеркал излучения обратно в световод. Если принять потери за обход резонатора равными обычному значению 10 дБ, то пороговым условием будет [c.226]

Синхронно-накачиваемые волоконные ВКР-лазеры привлекательны для генерации сверхкоротких световых импульсов [47]. Когда такие лазеры накачиваются импульсами длительностью < 100 пс, то, вообще говоря, необходимо учитывать эффекты дисперсии групповых скоростей, групповое запаздывание импульсов, ФСМ и ФКМ. Эти эффекты обсуждаются в разд. 8.3, где синхронно накачиваемые волоконные лазеры рассматриваются более подробно в отдельном подразделе. Если импульс ВКР попадает в область отрицательной дисперсии групповых скоростей световода, то солитонные эффекты могут формировать импульсы длительностью 100 фс и менее. Такие волоконные лазеры иногда называют солитонными ВКР-лазерами, подробно они рассматриваются в разд. 8.4. Другое направление развития волоконных лазеров-создание компактных устройств с зеркалами, интегрированными в волоконный резонатор. Один из способов добиться этого [49] замена зеркал на волоконные решеточные отражатели, изготовленные путем травления решетки на сердце-вине короткого отрезка световода. Другой путь-использование кольцевой конфигурации резонатора [48] на основе волоконной петли со связью через волоконный ответвитель - позволяет получить цельноволоконный кольцевой ВКР-лазер с низким порогом. [c.228]

Предьщущие подразделы были посвящены однопроходному ВКР. Если поместить световод в резонатор (см. рис. 8.4), то однопроходный усилитель превращается в волоконный ВКР-лазер. Такие лазеры обсуждались в разд. 8.2.2 в случаях непрерывного или квазинепрерыв-ного режимов (Гд > 1 не). Здесь рассматриваются синхронно накачиваемые волоконные ВКР-лазеры, испускающие импульсы длительностью 100 ПС. В обычной схеме используются импульсы накачки длительностью около 100 пс на длине волны 1,06 мкм от Nd MAF-лазера с синхронизацией мод. [c.245]

Рис. 8.14. Временные и спектральные характеристики излучения волоконного ВКР-лазера (штриховые линии) и в режиме однопроходной генерации (сплошные линии). Шкала интенсивностей произвольная [104].

Длительность импульсов излучения волоконного ВКР-лазера примерно такая же, как у импульсов накачки ( 100 пс). Однако из-за эффектов ФСМ и ФКМ эти импульсы частотно-модулированны, и, если в достаточно большой части импульса чирп линеен, они могут быть сжаты в волоконно-решеточном компрессоре (см. разд. 6.3). Важным достижением было получение импульсов длительностью [c.246]

В гл. 8 рассмотрено вынужденное комбинационное рассеяние ВКР-явление генерации стоксовой волны (смещенной на 13 ТГЦ) в поле волны накачки при распространении накачки в световоде. Это происходит, только когда мощность накачки превышает пороговый уровень. Сначала обсуждаются усиление и порог вынужденного комбинационного рассеяния. Затем в двух отдельных разделах описывается ВКР для случая непрерывной или квазинепрерывной накачки и для случая сверхкоротких импульсов накачки. В последнем случае сочетание ФСМ, ФКМ и ДГС приводит к качественно новым особенностям. Эти особенности могут быть совершенно разными в зависимости от того, находится накачка в области нормальной или аномальной ДГС. Случай аномальной ДГС рассматривается в последнем разделе, особенно вьщелены волоконно-оптические ВКР-лазеры. Также обсуждаются применения ВКР-усилителей в волоконно-оптической связи. [c.30]

После первого наблюдения ВКР [9] в световодах широко проводились исследования ВКР при накачке импульсами длительностью 100 нс, что соответствует квазинепрерывному режиму [15-30]. Параллельно проводились работы по многопроходному ВКР, когда световод, помещенный внут рь резонатора, образует перестраиваемый ВКР-лазер [31 49]. Третье направление-использование ВКР для усиления сигналов и создание в irrore волоконных ВКР-усилителей [50 70]. В этом разделе обсуждаются все три направления исследований ВКР в световодах, В отдельном подразделе рассматривается также применение ВКР-усиления для многоканальных систем оптической связи. [c.223]

Как видно из рис. 8.5, волоконные ВКР-усилители легко обеспечивают усиление в 1000 раз (30 дБ) при мощности накачки около 1 Вт [51]. В недавнем эксперименте [54] сп1Нал от полупроводникового лазера с длиной волны 1,24 мкм был усилен на 45 дБ в световоде длиной 2,4 км. В этих экспериментах использовалась попутная накачка. В другом эксперименте [53] сигнал на длрше волны 1,4 мкм от полупроводникового лазера усиливался в поле как попутной, так и встречной волн накачки. В качестве накачки использовалось излучение от непрерывного Nd ИАГ-лазера с длиной волны 1.32 мкм. Было получено ненасыщенное усиление 21 дБ при мощности накачки около 1 Вт. В обеих конфигурациях усиление было примерно одинаковым благодаря изотропии процесса ВКР. [c.230]

Привлекательным свойством волоконных ВКР-усилителей является широкая полоса усиления (> 5 ТГц). Они могут использоваться для усиления одновременно нескольких каналов в многоканальной системе оптической связи. Это было продемонстрировано в эксперименте [74], где сигналы от трех полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью в диапазоне 1,57-1,58 мкм одновременно усиливались в поле накачки с длиной волны 1,47 мкм. В этом эксперименте излучение накачки было получено от многомодового полупроводникового лазера, что делает данную схему практически применимой для систем оптической связи. При мощности накачки всего 60 мВт было получено усиление 5 дБ. Теоретический анализ двухканального комбинационного усиления показывает, что в общем случае существует взаимодействие между каналами [75]. Широкая полоса усиления волоконных ВКР-усилителей делает их пригодными для усиления коротких оптических импульсов. Усовершенствованию систем оптической связи с помощью комбинационного усиления уделено значительное внимание [76-81]. Наиболее многообещающим кажется использование комбинационного усиления для передачи сверхкоротких солитоноподобных импульсов по световодам длиной несколько тысяч километров [78, 80] (см. разд. 5.4). В эксперименте [79] импульсы длительностью 10 пс на длине волны 1,56 мкм усиливались при накачке непрерывным лазером на центрах окраски с длиной волны 1,46 мкм. Усиление таких коротких импульсов возможно только благодаря широкой полосе ВКР. Недавно в такой схеме было продемонстрировано прохождение солитонов длительностью 55 пс по световоду эффективной длиной 4000 км [81]. [c.232]

Возможность данной схемы была продемонстрирована в эксперименте [69], где солитонные импульсы длительностью 10 пс распространялись по 10-километровому световоду с ВКР-усилением и без него. На рис. 5.11 изображена схема экспериментальной установки. Там также показаны АКФ лазерного импульса (без световода) в сравнении с АКФ. полученной на выходе световода. При отсутствии ВКР-усиления солитонный импульс уширяется примерно на 50% из-за наличия потерь. Это находится в согласии с формулой (5.4.6), которая предсказывает Ti/Tq =1,51 для параметров световода, использованного в эксперименте, а именно 2 — 10 км и а = 0,0414 км (0,18 дБ/км). ВКР-усиление осуществлялось за счет инжектирования непрерывного излучения накачки на 1,46 мкм от лазера на центрах окраски в направлении, противоположном распространению солитонов. Мощность излучения накачки составляла 125 мВт. Как видно из рис. 5.11, импульс на выходе практически идентичен по форме и по энергии входному импульсу, что указыв.- т на практически полное восстановление солитона. Малоинтенсив ле крылья в восстановленном солитоне приписаны рассеянной доле энергии, возникающей из-за отличия формы входного импулы.а от гиперболического секанса. Возможности схемы с ВКР-усиленис i были продемонстрированы Молленауэром и Смитом в эксперименте [75], где 55-пико-секундные импульсы могли 96 раз обращаться по 42-километровой волоконной петле без значительного изменения своей длительности. Это соответствовало эффективной длине распространения более чем 4000 км. Конструктивная сторона таких солитонных линий связи, использующих ВКР-усиление, будет рассмотрена далее в этом разделе. [c.128]

Для получения цугов импульсов с управляемой частотой следования надо ввести регулярную затравочную модуляцию, что и было сделано авторами [49]. Схема экспериментальной установки изображена на рис. 5.18. Излучение лазера на гранате с неодимом (Х= = 1,319 мкм, Ti/2=100 пс) смешивалось в одномодовом волоконном световоде с близким по частоте излучением полупроводникового лазера с целью формирования начальной модуляции интенсивности. Чтобы повысить пороги возникновения конкурирующих нелинейных процессов (ВКР, ВРМБ), пучки основного и вспомогательного лазеров вво- [c.218]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...