главная   оптика   волоконная оптика   спектроскопия   лазеры   лазерные системы
 
     
 
Оптика /
  Тысячелетняя история развития оптики
  Природа света. Свойства электромагнитного излучения
  Законы оптики и оптические эффекты
  Основные законы оптики
  Геометрическая оптика
  Волновая оптика
  Квантовая оптика
  Нелинейная оптика
  Теория голографического строения вселенной
  Распространение света в оптически неоднородных средах
  Компоненты оптических схем
  Оптические материалы
  Оптические системы
  Свет и энергетика
  Зрение
Волоконная оптика
Спектроскопия
Лазеры
Лазерные системы
Телекоммуникации и связь
 
Выставки и конференции
Новости науки и лазерной техники
 
О проекте
Ссылки

 

Оптические солитоны

Материал подготовил Марк Полтавец

 

Определение: оптические солитоны - импульсы с определенным балансом нелинейных и дисперсионных эффектов.

 
Временные и спектральные характеристики коротких оптических импульсов изменяются при распространении в прозрачной среде из-за эффекта Керра и хроматической дисперсии. При определенных обстоятельствах, однако, эффект Керра, нелинейности и дисперсии могут полностью компенсировать друг друга, не считаю постоянной задержки фазы на единицу расстояния распространения, так что временная и спектральная характеристики импульсов сохраняются даже на больших расстояниях распространения [1, 3]. Это явление было впервые обнаружено не в оптике, а при наблюдении распространения  волн на воде. Позже подобный эффект обнаружен и в оптических волокнах [4].

Условиями распространения солитонного импульса в среде без потерь являются:
• Для положительного значения нелинейного коэффициента преломления n2 (как описано в большинстве источников), хроматическая дисперсия должна быть аномальной.
• Временная характеристика импульса должна быть такая же, как и у нечирпированного sech2 импульса (предполагается, что дисперсия групповой задержки является постоянной, то есть, нет дисперсии высшего порядка):

• энергия импульса Ер и длительность солитона должны соответствовать следующим условиям:

Здесь полная ширина на половине высоты (ПШПВ) соответствует длительности импульса ≈ 1,7627 × ,
γ является SPM ( коэффициентом самомодуляции фазы, self-phase modulation) в рад / (Вт*м) и β2 является групповой дисперсионной скоростью и определяется как производная по угловой частоте, т.е. дисперсия групповой задержки на единицу длины (в с2 / м).
 
В указанных условиях, импульс может распространяться как солитон (или одиночный импульс) с постоянными временными и спектральнымихарактеристиками. Он только приобретает сдвиг фазы, являющийся половиной нелинейного сдвига фазы, который приобретет пик импульса, если только нелинейность будет на него действовать. Этот сдвиг фаз солитона постоянен во времени или частоте, т. е. он не приводит к чирпированию или уширению спектра. В большинстве случаев, это не существенно.
 
Рисунок 1: Синяя кривая: зависящий от времени нелинейный набег фазы (без дисперсии), который пропорционален оптической интенсивности. Красная кривая: общий фазовый сдвиг, в результате совместного действия нелинейности и дисперсии на солитон. Постоянный сдвиг не изменяет временную или спектральную характеристики импульса.

 

Пример: Солитоны в стандартном телекоммуникационном волоконе
Как пример, можно рассмотреть солитоны в стандартных телекоммуникационных волокнах (одномодовое волокно для 1,5-мкм области спектра). Рассмотрим стандартное SMF-28e волокно Corning, эффективная площадь моды составляет 85 мкм2 на длине волны 1550 нм, что приводит к нелинейному коэффициенту 1,43 мрад / (W*м), нелинейный показатель предполагаем 3 × 10-16 см2 / Вт. Хроматическая дисперсия на 1550 нм будет +16,2 пс / (нм*км), что соответствует -20 660 фс2 / м. Используя приведенные выше уравнения, получим, что солитоны с продолжительностью 1 пс. должны иметь энергию в импульсе 51 pJ, соответствующий пиковой мощностью 45 Вт
За время в 10 раз меньше у солитонов с продолжительностью 100 фс. Энергия импульса возрастает в 10 раз до 510 PJ, в то время как пиковая мощность становится в 100 раз больше (4,5 кВт).

 

Устойчивость солитонов
Наиболее примечательный факт заключается не в балансе дисперсии и нелинейности, а в том, что солитонные решения нелинейного волнового уравнения очень устойчивы: даже при существенных отклонениях начального импульса от точного решения солитона, импульс автоматически "находит" правильную форму солитона, теряя часть своей энергии в так называемых дисперсионных волнах - слабом фоне, который имеет очень малую интенсивность, подвергается значительным нелинейным эффектам и со временем расширяется в результате дисперсии. Солитоны также очень устойчивы к изменениям свойств среды, при условии, что эти изменения происходят на расстояниях, которые значительно больше по сравнению с так называемыми периодом солитона (определяется как длина распространения волны, на которой постоянная задержка фазы π / 4).Это означает, что солитоны могут адиабатически адаптировать свою форму к медленно меняющимся параметрам среды. Кроме того, солитоны могут приспособиться в некоторых случаях к дисперсии более высокого порядка, они автоматически меняют характеристики для достижения упомянутого баланса при данных условиях.
Солитоны высшего порядка
 
Если энергия импульса является квадратом целого числа умноженного на энергию импульса основного солитона, то такой импульс называется солитоном высшего порядка. Такие импульсы не сохраняют форму, их форма меняется с периодом, равным вышеупомянутому периоду солитона.
 
Важность солитонов

Фундаментальные солитонные импульсы очень важны, в частности, для оптических волокон дальней связи, а также для режима солитонной синхронизации мод лазеров. В последнем случае солитоноподобные импульсы могут быть сформированы, когда обычно суммарные части дисперсии и нелинейности в резонаторе лазера достаточно слабы. Солитоны также применяются в различных устройствах для сжатия импульсов с использованием оптических волокон; известны примеры адиабатического сжатия солитона и сжатия солитонов более высоких порядков.

Сдвиг частоты солитона

На распространяющиеся в оптическом волокне солитонные импульсы может воздействовать не только нелинейность Керра, но и вынужденное комбинационное рассеяние. Для очень коротких солитонов (с длительностью, например, <100 фс.), оптический спектр становится настолько широк, что хвост с большей длиной волны может испытать комбинационное усиление за счет энергии в более коротковолновом хвосте. Это вызывает общий спектральный сдвиг солитона в сторону больших длин волн, то есть частота электромагнитной волны солитона изменяется [5, 6, 15, 16]. Сила этого эффекта существенно зависит от длительности импульса, так как солитоны малой длины имеют более высокую пиковую мощность и более широкий оптический спектр. Последнее важно потому, что рамановский коэффициент усиления (ВКР-усиления) мал для малого сдвига частоты. Во время распространения импульса, скорость сдвига частоты обычно замедляется, так как энергия импульса уменьшается, а длительность импульса увеличивается [16].
Самостоятельный сдвиг частоты солитона может быть использован для достижения спектральных областей, доступ к которым очень сложен. Регулируя энергию импульса в волокне, можно настраивать длину волны излучения в широком диапазоне [10-14].

Пространственные солитоны

Помимо временных солитонов, как говорилось выше, есть также пространственные солитоны. В этом случае нелинейность среды (возможно, фоторефрактивного типа) устраняет дифракцию, так, чтобы пучок с постоянным радиусом мог сформироваться даже в среде, которая будет однородной без влияния светового пучка.
 

 

 
Кафедра Лазерной техники БГТУ 'Военмех'

Онлайн-конвертер

 
         
 
  разработка сайта NINSIS   190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
тел/факс: +7 (812) 316-49-09
www.laser-portal.ru