Солитонные эффекты при ВКР

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]

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]

Когда длина волны накачки лежит в области отрицательной дисперсии световода, в импульсах накачки и ВКР могут появляться солитонные эффекты, возникающие в результате совместного действия нелинейности и дисперсии (см. гл. 5). Этот случай, в силу его большой научной и практической важности, широко исследовался как теоретически, так и экспериментально [118-138]. [c.247]

Комбинационное преобразование частоты сверхкоротких импульсов в сочетании с солитонными эффектами привело к созданию целого класса перестраиваемых по частоте источников фемтосекундных рамановских солитонных лазеров, которые будут рассмотрены в гл. 6. [c.144]

Последующие эксперименты, выполненные в тщательно контролируемых условиях, позволили выявить ряд особенностей формирования, распространения и взаимодействия солитонов при наличии многочисленных возмущающих факторов и указать перспективы разнообразных технических приложений. Сейчас отчетливо продемонстрированы возможности применения солитонных эффектов для передачи информации по волоконным световодам, формирования и генерации фемтосекундных импульсов, исследования быстропротекающих процессов. [c.196]

Солитонные эффекты в сочетании с комбинационным преобразованием частоты положены в основу рамановских солитонных лазеров. [c.215]

Наиб, интересным нелинейным эффектом, имеющим большое практич. значение, является солитонный режим распространения оптич. импульсов в волоконных С. в спектральной области отрицательной дисперсии групповой скорости (X >1,3 мкм, рис, 2, б). [c.462]

Зависимость Ф.с. от частоты ю определяет дисперсию волн, что приводит к искажению формы передаваемого сигнала конечной длительности, за исключением нек-рых особых случаев, когда эти искажения компенсируются нелинейными эффектами (см. Солитон). [c.266]

Особую роль играют нелинейные эффекты в волоконнооптических линиях связи. С одной стороны, нелинейные эффекты в световодах ограничивают возможную скорость и дальность передачи информации по световодам и их необходимо учитывать при создании линий связи. С другой стороны, при определенных условиях нелинейные эффекты могут быть использованы для увеличения скорости и дальности передачи информации. Особо здесь следует упомянуть передачу информации оптическими солитонами-лазерными импульсами, которые за счет совместного действия нелинейных и дисперсионных эффектов распространяются по световоду без дисперсионного уши-рения. [c.5]

Если длина световода L больше или порядка и, то дисперсия и нелинейность вместе действуют при распространении импульса вдоль световода. Совместное влияние эффектов ДГС и ФСМ может приводить к качественно другому поведению в сравнении с тем, если только ДГС или. ФСМ действуют. В области аномальной дисперсии групповых скоростей (Pj < 0) в световоде могут существовать солитоны в гл. 5 обсуждаются свойства и [c.57]

Эффекты ФСМ, обсуждавшиеся в разд. 4.1, реально описывают распространение только относительно длинных импульсов (Гд > > 100 пс), для которых дисперсионная длина много больше длины световода L и нелинейной длины. С укорочением импульсов дисперсионная длина становится сравнимой с длиной световода, и теперь необходимо рассмотреть совместное действие эффектов ДГС и ФСМ [8]. В области аномальной дисперсии световода под действием этих двух эффектов в совокупности в световоде могут существовать оптические солитоны [11, 12], которые будут обсуждаться в гл, 5. В области нормальной дисперсии [13-15] совместное действие эффектов ФСМ и ДГС нашло применение в компрессии оптических импульсов. Эта тема обсуждена в гл. 6, В этом разделе рассматриваются спектральные и временные изменения, которые происходят, когда эффект ДГС учитывается при описании ФСМ [13-28], [c.85]

Уравнение (4.3.1) предполагает мгновенность нелинейного отклика и справедливо, только если время отклика много меньше длительности импульса То- Влияние конечного времени отклика на ФСМ было исследовано, в частности, для жидких нелинейных сред, таких, как Sj, где Т = S 10 пс, и может быть больше длительности пикосекундных импульсов Tq [2, 5]. В случае волоконных световодов T)j 5 фс из-за электронной природы нелинейности. Если длительности оптических импульсов Тд < 100 фс, необходимо учитывать конечность времени нелинейного отклика. В самой простой модели предполагается, что нелинейный отклик спадает экспоненциально, и эволюция импульса изучается на основе уравнений (2.3.37) и (2.3.39) [48]. Несколько другой подход использовать вместо уравнения (4.3.39) уравнение (2.3.35) [49]. Связь и справедливость двух подходов обсуждались в разд. 2.3. Влияние конечного времени отклика наиболее примечательно в сь 1зи с солитонами оно приводит к распаду солитонов [48, 49] и смещению частоты [50, 51]. Эти эффекты будут рассмотрены в гл. 5. [c.102]

Для того чтобы понять физический смысл наблюдаемого явления, полезно взглянуть на динамику спектра, изображенного на рис. 5.5 для случая N = 3. Изменения в форме импульса и его спектре возникают при совместном действии фазовой самомодуляции (ФСМ) и дисперсии групповых скоростей. При ФСМ получается положительная частотная модуляция, так что передний фронт смещается в стоксову (относительно несущей частоты) область, а задний фронт-в антистоксову область. Уширение спектра за счет ФСМ ясно видно на рис. 5.5 при z/zq = 0,2 хорошо заметна типичная для ФСМ модуляция. При отсутствии дисперсии групповых скоростей форма импульса оставалась бы неизменной (см. разд. 4.1). Отрицательная дисперсия, однако, сжимает импульс, так как он имеет положительную частотную модуляцию (см. разд. 3.2). Сокращает свою длительность только центральная область импульса, поскольку только там сдвиг частоты практически линеен. Из-за того что интенсивность импульса в центральной его области существенно увеличивается, спектр его также значительно изменяется (см. рис. 5.5 для z/zq = 0,3). Именно совместным действием дисперсионных и нелинейных эффектов объясняется характер динамики импульса, изображенной на рис. 5.4. В случае фундаментального солитона (N = 1) дисперсия и ФСМ компенсируют друг друга таким образом, что ни форма импульса, ни его спектр не изменяются при распространении по [c.116]

В данном разделе были рассмотрены эффекты, связанные с кубическим членом нелинейной поляризации, записанным в виде (2.3.6). При очень больших уровнях мощности нелинейный отклик начинает насыщаться, поэтому необходимо включать члены высших порядков. Каплан [53] обобщил нелинейное уравнение Шредингера (5.2.5), заменив в нелинейном члене на произвольную функцию/( J7 ). Оказывается, что при определенных условиях поведение солитона становится бистабильным. При заданном значении энергии импульса бистабильные солитоны могут распространяться в двух состояниях при этом можно осуществлять переключение из одного состояния в другое [54]. Вопросы устойчивости бистабильных состояний привлекли большое внимание [55]. В волоконных световодах бистабильное поведение пока не наблюдали, поскольку для этого необходимы чрезвычайно высокие значения мощности. Для этой цели более подходящими могут быть среды с легко насыщающейся нелинейностью. В заключение отметим, что солитоны могут существовать в волноводах с пространственно-периодичной величиной показателя преломления, так как волна, распространяющаяся в такой среде, также описывается нелинейным уравнением Шредингера [56]. [c.122]

В гл. 6 рассматривается сжатие импульсов, важное с технологической точки зрения, так как это нелинейное явление было использовано для получения импульсов длительностью 6 фс. Используются два типа оптических компрессоров в зависимости от того, длина волны X больше или меньше длины волны нулевой дисперсии волокна. В видимой и ближней инфракрасной областях (к < 1,3 мкм) оптические импульсы можно сжимать в волоконнорешеточном компрессоре до 100 раз. Подробно обсуждаются теория и конструкция таких компрессоров. В области длин волн 1,3-1,6 мкм в компрессорах, основанных на солитонном эффекте, можно сжимать оптические импульсы в 100 раз, используя фундаментальное свойство солитонов высших порядков. Сочетая эти два метода сжатия в области длин волн вблизи 1,3 мкм и используя световод со смещенной дисперсией, можно получить сжатие в 5000 раз. Дается обзор экспериментальных достижений в этой области, а также теория компрессоров, основанных на солитонном эффекте. [c.29]

Использовать солитоны в высокоскоростных линиях связи можно двояко. В первом случае цель довольно скромная солитонный эффект используют для того, чтобы увеличить длину световода (так называемое расстояние между ретрансляторами) по сравнению с расстоянием для линейной системы (малые уровни мощности, отсутствие нелинейных эффектов). Как видно из рис. 5.4, длительность солитона высшего порядка первоначально уменьшается. Начальное сжатие происходит даже при наличии потерь в световоде, и это может скомпенсировать уширение солитона из-за потерь [74]. Поскольку период солитона для 100-пикосекундных импульсов, распространяющихся на длине волны 1,55 мкм, относительно велик (> 500 км), такие импульсы могут распространяться на расстояния 100 км, прежде чем они значительно уширятся по сравнению с начальной длительностью. В работе [73] было предсказано, что расстояние между ретрансляторами можно увеличить более чем в 2 раза, когда пиковая мощность входного импульса достаточна для создания солитонов высшего порядка. Требуемые значения пиковой мощности для передачи импульсов без частотной модуляции со скоростью 8 Гбит/с относительно невелики ( 3 мВт). Так как такой уровень мощности вполне достижим для полупроводниковых лазеров, солитонный эффект легко можно использовать для улучшения работы оптических линий связи. [c.127]

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]

Солитонные эффекты ВКР нашли применение в солитонных ВКР-лазерах [132-138]. Подобно солитонным лазерам, обсуждавшимся в разд. 5.3, такие лазеры дают выходное излучение в виде солитонов длительностью 100 фс, но на длине волны, соответствующей стоксовой компоненте первого порядка. Кроме того, длина волны может перестраиваться в довольно больших пределах ( 10 нм) с помощью метода временной дисперсии, о котором говорилось в разд. 8.2.2. Обычно используется кольцевая схема, показанная на рис. 8.18. Ди-хроичная пластинка с высоким отражением на длине волны накачки и с частичным на стоксовой длине волны используется для ввода излучения накачки и вывода лазерного излучения. [c.252]

В этом параграфе мы обратимся к задачам использования солитонных эффектов для получения импульсов предельно малой длительности. Наиболее естественный путь — это использование самосжатия Л/ -солитонного импульса в волоконном световоде. По существу, речь идет о временном аналоге самофокусировки светового пучка. [c.204]

Так, Эдвардс и др. продемонстрировали резонансное поглоще микроволновой энергии водными растворами, содержащими спира ную ДНК известной длины. Они объяснили эти резонансы с помои теории, которая базируется на микроволновом возбуждении продс ных акустических мод. Но вместе с тем они установили, что наблк емые времена релаксации удивительно велики (200—300 псек) и объяснимы с классических Дебаевских позиций, а потому непоня такое слабое затухание возбуждения в растворе. Это подтвержд что акустическая волна может выступать как ангармоническое обес чение солитонных эффектов и объяснять картину микроволнового глощения и эффект увеличения времени жизни возмущения [8 . [c.46]

Многообразные волновые взаимодействия и самовоз-действия фактически определяют гл, черты поведения мощных лазерных пучков в материальной среде. Разработка эфф. методов управления продольными и поперечными нелинейными взаимодействиями позволила реализовать в оптике разнообразные эффекты нелинейной волновой динамики — параметрич. взаимодействия, ударные волны, генерацию структур, солитоны, спиральные волны, турбулентность. [c.294]

Наряду с взаимодействием волн в Н. с. важную роль играют эффекты самовоздействия. Если в Н. с, в силу особенностей дисперсионных характеристик условия трёхволнового взаимодействия не выполнены, то наиб, существенным является самовоздействие квазимонохроматич. волны. Оно возникает, напр., при распространении эл.-магн. волны в среде с показателем преломления, зависящим от интенсивности поля. В частности, пучок света в такой среде формирует неоднородное поперёк пучка распределение показателя преломления, подобное линзе, что в свою очередь может приводить к его фокусировке — происходит самофокусировка света. Аналогично возникают самомодуляция квазимонохроматич. волн в направлении их распространения и самосжатие волновых пакетов, приводящее к образованию стационарных волн огибающих нелинейных волновых пакетов, в т. ч. солитонов. [c.313]

Ленгмюровская турбулентность может развиваться в плазме без магн. поля и связана с возбуждением самой простой моды колебаний в виде смещения электронов относительно ионов (плазменные колебания). При очень малой амплитуде смеп1ения -это линейные ленгмюровские волны. Однако при увеличении амплитуды ленгмюровских волн очень быстро возникают нелинейные эффекты. А именно, вследствие небольшого смеп]ения ионов возникает модулячионная неустойчивость, приводящая к появлению сгустков ленгмюровских волн — солитонов. Эти солитоны оказываются неустойчивыми по отношению к самосжатию до таких малых размеров (коллапс ленгмюровских волн), что их энергия может переходить в энергию ускоряемых электронов. Перечисленные выше и многие др. эффекты, обнаруживаемые в развитой ленгмюров-ской Т. п., описываются ур-ниями Захарова, к-рые следуют из ур-ний двухжидкостной динамики плазмы при явном выделении в электронном отклике адиабатической ионной части. [c.184]

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]

Возможности таких волоконных световодов с низкими потерями привели не только к революции в области волоконно-оптической связи [14-17], но и к возникновению новой области науки-нелинейной волоконной оптики. Первые нелинейные явления (вынужденное комбинационное рассеяние и рассеяние Мандельштама-Бриллюэна) были экспериментально [18, 19] и теоретически [20] исследованы в одномодовых волоконных световодах еще в 1972 г. Эти работы стимулировали изучение других нелинейных явлений-оптически индуцированного двулучепреломления [21], параметрического четырехфотонного смешения [22, 23], фазовой самомодуляции [24, 25]. Важный результат был получен в 1973 г., когда было теоретически показано, что в оптических волокнах могут существовать солитоно-подобные импульсы, которые обусловлены совместным действием эффектов дисперсии и нелинейности [26]. Оптические солитоны позже наблюдались в эксперименте [27]. Их использование привело к большим успехам в области генерации и управления параметрами ультракоротких оптических импульсов [28-32]. В равной степени важное развитие получило использование оптических волокон для сжатия импульсов [33-36]. Были получены импульсы длительностью [c.10]

Г лава 5 посвящена оптическим солитонам, привлекающим особое внимание благодаря их фундаментальным свойствам, а также, в перспективе, применениям в волоконно-оптической связи. В начале главы рассматривается эффект модуляционной неустойчивости, чтобы подчеркнуть важность взаимного влияния дисперсионных и нелинейных эффектов, которое может иметь место в области аномальной ДГС оптических волокон. Затем вводится понятие фундаменталь- [c.28]

Уравнение (2,3.27) описывает распространение оптических импульсов в одномодовых световодах. Оно описывает эффекты оптических потерь (а), хроматической дисперсии (Р, и Pj) и нелинейности (у). Физический смысл параметров Pj и Pj рассматривается в разд. 1.2.3, В частности, огибающая импульса распространяется с групповой скоростью Vg = 1/Pi, а Pj характеризует дисперсию групповых скоростей (ДГС), ДГС может быть положительной или отрицательной в зависимости от того, длина волны X больше или меньше длины волны нулевой дисперсии световода (см, рис, 1,5), В области аномальной дисперсии (X > Хд) величина Pj отрицательная, и в волоконном световоде могут распространяться оптические солитоны (гл, 5), Обычно параметр Pj 60 пс /км в видимой области спектра и равен — 20 пс /км на длине волны 1,55 мкм смена знака происходит около 1,3 мкм. [c.46]

Физический смысл N станет ясен в гл, 5, где показывается, что целые величины N связаны с порядком солитона. Практическое значение параметра N состоит в том, что решения уравнения (4,2,1), полученные для определенной величины N, можно применить во многих практических ситуациях, используя изменение масштаба в соответствии с уравнением (4,2,3), Например, если N = 1 при = 1 пс, f o = 1 Вт, то вычисленные результаты также хорошо применимы для Го = 10 ПС и f o = 10 мВт или Го = 0,1 ПС и f>o = 100 Вт. Как следует из уравнения (4,2,3), N определяет относительное влияние эффектов ФСМ и ДГС на эволюцию импульсов в волоконном световоде. При N 1 преобладает дисперсия, тогда как ФСМ доминирует при N I. Если А/ 1, то и ФСМ, и ДГС играют одинаково важную роль в процессе эволюции импульса, В уравнении (4.2.1) sgn(P2)= 1 в зависимости от того, нормальна (Р2 >0) или аномальна (Р2 < 0) ДГС, Для численного решения уравнения (4,2,1) можно воспользоваться методом SSFM, описанным в разд, 2,4, [c.86]

Нелинейные свойства оптических световодов самым ярким образом проявляются в области аномальной (отрицательной) дисперсии. Здесь могут существовать так называемые солитоны-образования, обусловленные совместным действием дисперсионных и нелинейных эффектов. Сам термин солитон относится к специальному типу волновых пакетов, которые могут распространяться на значительные расстояния без искажения своей формы и сохраняются при столкновениях друг с другом. Солитоны изучаются также во многих других разделах физики [1-5]. Солитонный режим распространения в волоконных световодах интересен не только как фундаментальное явление, возможно практическое применение солитонов в волоконно-оптических линиях связи. В данной главе изучается распространение импульсов в области отрицательной дисперсии групповых скоростей, особое внимание уделяется солитонному режиму распространения. В разд. 5.1 рассматривается явление модуляционной неустойчивости. Показано, что при наличии нелинейной фазовой самомодуляции (ФСМ) стационарная гармоническая волна неустойчива относительно малых возмущений амплитуды и фазы. В разд. 5.2 обсуждается метод обратной задачи рассеяния (ОЗР), который может быть использован для нахождения солитонных рещений уравнения распространения. Здесь же рассматриваются свойства так называемого фундаментального солитона и солитонов высщих порядков. Следующие две главы посвящены применению солитонов в некоторых системах. В разд. 5.3 рассматривается солитонный лазер разд. 5.4 посвящен использованию солитонов в волоконно-оптических линиях связи. Нелинейные эффекты высщих порядков, такие, как дисперсия нелинейности и задержка по времени нелинейного отклика, рассматриваются в разд. 5.5. [c.104]

Существование модуляционной неустойчивости в области отрица-гельной дисперсии групповых скоростей указывает на то, что характер решения уравнения (5.1.1) существенно отличается в случае Р2 < 0. Оказывается, что это уравнение имеет особые решения, которые либо не меняются по z, либо являются периодичными [34-36]. Что же касается волоконных световодов, то данные решения известны как оптические солитоны, которые возникают благодаря совместному действию дисперсионных и нелинейных эффектов. Следующий раздел посвящен свойствам оптических солитонов. [c.111]

Периодичность солитонов высщих порядков означает, что такие импульсы должны восстанавливать первоначальную форму и спектр на расстояниях, кратных периоду солитона. Такое восстановление наблюдалось для солитонов второго и третьего порядков в экспериментах [40], где длина световода 1,3 км соответствовала примерно одному периоду солитона. В другом эксперименте [41] эффект сжатия солитонов высших порядков на начальном этапе распространения, изображенный на рис. 5.4 для случая N = 3. наблюдался для значений N вплоть до 13. Подробнее это обсуждается в гл. 6. Солитоны высщих порядков также наблюдались на выходе лазера на красителе с синхронизацией мод на сталкивающихся пучках, работающего в видимом диапазоне (длина волны генерации 620 нм), посредством [c.119]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...