Введение к работе
В последнее время большое внимание привлекает проблема распространения оптических солитонов. В оптических одномодовых волоконных световодах солитонный характер носит распространение импульсов пикосскундной и субпикосекундной длительности при балансе керровской нелинейности л отрипатсльной дисперсии групповой скорости. Исследуются также кваэиодномерные пространственные солнтоны в объемных средах и планарных волноводах, возникающие в результате баланса дифракции и нелинейной самофокусировки. Нараду с обычными солито-намя -— импульсами-или пучками, называемыми также светлыми соли-топами, — возможно существование и "темных" солитонов, или солитонов затемнения — локализованных областей уменьшения иптспсивности плоской волны. Такие солктоны также наблюдались экспериментально и в пространственном, и во временном варианте.
Важность солитонов с физической точки зрения определяется тем, что они представляют собой " собственные моды" нелинейных систем в том смысле, что любой достаточно мощный импульс распадается на последовательность солитонов и малую несолитоннуго компоненту. Важным свойством солитонов является их устойчивость — солиточы устойчивы к малому возмущению пачальпых параметров, что означает возможность их формирования из импульсов достаточно произвольной формы. Кроме того, солнтоны устойчивы к возмущениям условий распространения, таким, как дисперсионные и нелинейные эффекты высших порядков, инерционность нелинейного отклика, случайные вариации дисперсии и дву-лучепреломления, шумы усилителей и т.д. Солнтоны также устойчивы к столкновениям друг с другом, что означает возможность создания схем с частотным мультиплексированием.
Актуальность работы
Актуальность этой тематики для практических приложений обусловлена перспективами применения солитонов в линиях сверхбыстрой оптической связи. К настоящему времени созданы лабораторные макеты таких лшшй, обеспечившие длину передачи порядка 10 тысяч километров при скорости оьдло 10 Гбит/с. Другой потенциальной областью применения солитогшых эффектов является создание чисто-оптических вентилей, затворов,' логических и переключающих устройств. Большое внимание привлекают также эрбиеьые волоконные лазеры, способные давать последовательности солитонных импульсов длительностью от десятков пикосекунд до 100 фс и менее.
Цели диссертационной работы
-
Теоретическое исследование связанных состояний светлых и темных солитонов, их областей существования и устойчивости, возможных применений для пассивной синхронизации мод и чисто-оптического переключения.
-
Создание адекватной теоретической модели для списания процесса усиления солитонов фемтосекундяой длительности, исследование ьоэ-
можности одновременного усиления и сжатия солитонов, оптимизация этого процесса.
3. Исследование различных видов взаимодействия солитонов, возни
кающих в линии связи, и возможности подавления взаимодействий.
Научная новизна
Научная новизна диссертационной работы определяется выбором для исследования актуальных и не решенных ранее проблем, использованием комплексных методов анализа с сочетанием различных аналитических и численных методов. Выделим наиболее интересные с этой точки зрения
результаты:
-
Впервые показана возможность существования связанных состояний темных и светлых солитонов и исследовала ах устойчивость. Впервые показала возможность управления взаимодействием солитонов при помощи слабого контрольного импульса и достижения устойчивого связанного состояния в такой системе.
-
В сотрудничестве с экспериментальной группой, проведено исследование усиления солитона по длине световода с учетом веет существенных особенностей эрбиевого волоконного усилителя. Показана возможность 5-ти кратного сжатия и получения свободных от пьедестала одно-солитонных импульсов.
3. Впервые проанализировано взаимодействие поляризационно- ор
тогональных солитоноп для интегрируемого случая, и обнаружеіго, что
взаимодействие может проявляться как неравномерное вращение поля
ризаций.
Задачи диссертационной работы
В диссертации решены следующие задачи:
-
Найдены аналитические решения для системы двух нелинейных уравнений Шредингера в виде векторного светлого солитона с произвольным углом поляризации и в виде связанных темного и светлого солитонов. Определены области существования и устойчивости этих состояний.
-
Построена математическая модель для анализа распространения солитонов субпикоеекундлой длительности в эрбиевых волоконных усилителях, дающая возможность количественного описания динамики солитона. Показала возможность одновременного усиления и сжатия солитонов, найдены параметры формирующихся импульсов.
-
Определены основные закономерности взаимодействия солитонов
и присутствии спектрально-ограниченного поглощения, а также солито-ІЮВ с разньїмі! частотами и поляриэационно-ортогональиых солитонов. Исследованы возможности достижения упругого и неупругого взаимодействия, подавления взаимодействия, управления параметрами солитонов.
Практическая ценность
Практическая ценность диссертационной работы определяется выбором для рассмотрения актуальных задач и доведением решения до конечного вида, пригодного для использования другими авторами. Ряд результатов, полученных в диссертационной работе, был использован при постановке экспериментов.
-
Полученное решение для векторного солитоиа позволяет рассчитать работу лазера с поляризационной синхронизацией мод. Это решение может также использоваться для выбора начальных условий в численных расчетах при исследовании таких тонких эффектов, как взаимодействие солитонов с разными поляризациями.
-
Предложенная математическая модель для процесса усиления позволяет количественно верно описать динамику солитоиа с учетом всех эффектов, существенно возмущающих процесс усиления.
-
Полученные результаты по взаимодействию солитонов позволяют оценить величин)' ошибки в солитонных линиях связи и оптимизировать эти линии по таким параметрам как спектральная ширина фильтров, длительность импульсов, задержка между ними, разності іастот между каналами в системах с мультиплексированием.
Апробация результатов
Материалы диссертации были представлены на 3-й Всесоюзной конференции мо. .дых ученых "Теоретическая и прикладная оптика," (Ленинград, 1988), Международных конференциях 'Nonlinear Guided-Wave
Phenomena' (NGWP'91,93 в Великобритании), Конференции но лазерам
и электро-оптике (CLEO'93, США), 6-й Международной школе по квантовой электронике (Болгария, 1990), Ташкентской конференции по со-литонам (1989), 6-й Международной конференции "Ultrafast Phenomena" (Франция, 1992), 6-й Всесоюзной конференции "Оптика лазеров," (Ленинград, 1990) Международной конференции "Integrated Photonics Research" (США, 1990).
По результатам диссертации опубликовано 27 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Результаты также докладывались на семинарах отдела волоконной оптики ИОФ РАН, в Институте Электроники Болгарской Академии Наук и в Исследовательском центре по оптоэлектронпке, Саутгемптси, Великобритания.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения. Первая глава напинає гея с обзора литературы по оснознъш методам теоретического анализа распространения оптических солитснов. Описанные в этой главе методы используются для решения поставленных задач в последующих главах. Ка:і;дгл из последующих глав, содержащих оригинальные результаты, начинается с краткого введения, а в заключении главы формулируются основные выводы. Диссертация содержит 140 страниц машинописного текста, 47 рисункоз и список литературы из 154 наименований.
