Введение к работе
Актуальность темы. Исследование нелинейных явлений в оптических волокнах, в частности вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), является одной из важнейших задач современной нелинейной оптики и квантовой электроники. Нелинейные явления в оптических волокнах наблюдаются при мощностях накачки на несколько порядков меньших, чем при использовании объемных сред. Например, при попутном ВКР, усиление в 18 Дб в волокне наблюдалось в работе гп при средней мощности всего лишь 6 мвт, при частоте следования импульсов накачки 100'МГц. Высокая эффективность нелинейных явлений в оптических волокнах связана с
тп ^ возможностью достижения большой (до 10 Вт / см") интенсивности излучения в -сердцевине волокна и одновременно большой (до нескольких километров) длины взаимодействия света с веществом, ограниченной, в пределе лишь затуханием света. Низкие пороги нелинейных явлений в оптических волокнах обуславливают перспективность использования световолокна, в качестве нелинейной среды, при проведении самых разнообразных фундаментальных и прикладных исследований в области нелинейной оптики.
Тзк, например, в последние годы ведутся интенсивные исследования по использованию оптического волокна в полностью оптических переключающих и цифровых информационных системах П-51. Интерес к 'волокну со стороны исследователей, занимающихся оптическими методами обработки информации, связан с широкой полосой пропускания' оптического волокна, легкостью решения проблемы тешоотвода в протяженных нелинейных элементах при больших тактовых частотах, легкостью сопряжения волоконных систем обработки со связными волокнами. Последнее весьма актуально, учитывая все более широкое распространение волоконных линий связи. В литературе, как правило, обсуждаются нелинейные пороговые вентили, основанные на нелинейных интерферометрах Саньяка, Маха - Цендера или использующие поляризационные эффекты. Вместе с тем, значительный интерес представляют исследования возможности использования ВКР для синтеза полностью оптических логических вентилей, так как ВКР в
волокнах наблюдается при мощностях сравнимых с мощностями переключения штэрферометрических схем. Однако, в отличии от них, ВКР практически нечувствителен к изменению температуры, давления и других внешних условий. Кроме того ВКР в кварцевом волокне может обеспечить значительное (20-30 ДО) усиление импульсов пикосекундного диапазона длительностей.
ВКР в оптических волокнах имеет значительные особенности, связанные с волноводными и дисперсионными свойствами световодов. Исследование этих особенностей представляет значительный научный и практический интерес, связанна как с синтезом ВКР вентилей, так и с решением таких практически важных задач, как создание и совершенствование ВКР лазеров и ВКР усилителей. Модовая структура излучения накачки оказывает существенное влияние на нелинейные процессы в оптических волокнах, определяя, например, возможность развития четарехфотонных процессов в маломодовых волокнах или сложную модовую структуру стоксовой волны в существенно многомодовых волокнах. Исследование влияния волноводных свойств волокна,, в частности профиля показателя преломления световода на модовую структуру рассеянного излучения позволяет оптимизировать параметры световодов при решении конкретных проблем.
Трансформация энергии накачки в высшие стоксовы компоненты позволяет использовать ВКР для генерации монохроматического излучения в спектральных диапазонах, где отсутствуют другие доступные лазерные источники. Существенной проблемой при каскадном ВКР является увеличение доли накачки, трансформируемой в нужную стоксову компоненту. Одним из возможных путей решения этой задачи является использование волокна с сильным спектрально зависимым затуханием.
Важной задачей является исследование пороговых условий ВКР и возможности снижения порога в световолокне. Порог БКР может быть снижен при изготовлении волокна с малым поперечным сечением световедущей жилы и при использовании в ней более эффективных ВКР материалов. Снижение порога мохет быть достигнуто также за счет увеличения длины взаимодействия импульса накачки и стоксова импульса в условиях согласования их
групповых скоростей и в кольцевых лазерных схемах.
Цель работы. Основной целью данной работа является исследование особенностей попутного БКР в стеклянных к капиллярных оптических волокнах и изучение возможности построения полностью оптических волоконных вентилей и цифровых систем на основе ВКР в световолокне.
Основные положения, выносимые на зашит?/.
-
Высокая эффективность нелинейных процессов в оптических волокнах позволяет создавать на их основе полностью оптические логические элементы, производительность которых, в случае использования ВКР может достигать I0V - 10і' переключений в секунду, при потребляемой энергии 10 х - 10 Д:к / перекл.
-
На основе предложенного БКР вентиля ШШ-НЕ может быть синтезирована произвольная цифровая схема, в том числе осуществлена полностью оптическая регенерация и долговременное хранение информации, циркулирующей в замкнутом контуре.
3. В существенно многомодовых стеклянных и капиллярных
оптических волокнах модовая структура стоксовой компоненты в
значительной степени определяется профилем показателя
преломления волокна. 8 ступенчатых волокнах возможен режим
согласования групповых скоростей накачки и стоксовой компоненты
, распространяющихся в различных модовых группах, а в
градиентных - трансформация энергии многомодовой накачки в
основную моду стоксова'излучения.
-
Е оптических волокнах с сильным спектрально зависимым затуханием возможно 'значительное увеличение энергии, перекачиваемой в высшие стркссвы компонента при каскадном ВКР.
-
Порог ВКР может сыть значительно снижен в кольцевых ВКР лазерах в условиях согласования групповых скоростей накачки и стоксовой компоненты, при условии малости потерь стоксовой компоненты.
Научная новизна.
I. Впервые предложено использовать ВКР в оптических волокнах для синтеза полностью оптических логических . и переключающих элементов. Показано, что предложенный ВКР вентиль іШ-HE образует функционально полную элементную базу цифровых
оптических устройств , и отвечает всем требованиям каскадерувмости логических элементов.
-
Впервые экспериментально продемонстрирована возможность полностью оптической регенерации сигналов в замкнутой кольцевой структуре на основе волоконного вентиля ШШ-НЕ. Также впервые, экспериментально исследована схема полностью оптической динамической пзмати на основе ВКР вентиля ШШ-НЕ с многократной, до 10й .циклов регенерацией оптических сигналов.
-
Проведено детальное теоретическое и экспериментальное исследование модовой структури рассеянного излучения в существенно многомодовых оптических волокнах. Впервые показано, что в ступенчатых волокнах возможно согласование . групповых скоростей импульсов накачки и стоксовой компоненты, распространяющихся в различных модовых группах световода и трансформация энергии многомодовой накачки в основную моду стоксовз излучения в градиентных световодах.
4. ' Проведено теоретическое и экспериментальное
исследование порогового инкремента ВКР усиления в одномодовых
оптических волокнзх в условиях когда накачка распространяется в
области нормальной дисперсии групповых скоростей, а сгоксова
волна в области аномальной дисперсии. Впервые экспериментально
исследована динамика развития генерации и снижение порога ВКР в
кольцевом ВНР лазере, в условиях согласования .групповых
скоростей. Показано, что снижение порога определяется потерями
стоксовой компоненты.
Практическая ценность. Практическая ценность работы состоит в развитии физических представлений о специфике ВКР в оптических волокнах, что позволяет расширить' возможности использования волокна в оптических усилителях , лазерах, а также в полностью оптических, цифровых . системах обработки информации.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: VI Всесоюзной школе - семинаре по оптической обработке информации (Фрунзе, 1986), 14-th
coneres? of the international commission for optic (Guebec. Caned». 1987 1, IIГ ВСЄС0ЮЗН0Й КСНф9рЄНШИІ "Применение ЛЗЗероВ
в технологии и системах передачи и обработки информации"
(ТаЛЛИН, 1937), Optical comrutine 'Toulon. France. 1988).
Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике КиНО'88 И КиНО'91 (Минск, 1988), "(Ленинград, 1991), II ,111 Международных конференциях физические проблемы оптической связи и обработки информации" (Севастополь 1991), (Севастополь
1992), Международной КОНфереНЩНІ ПО ВОЛОКОННОЙ ОПТИКе 1SF0C91
(Ленинград, 1991).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения; содержит 5е рисунков и фотографии, 5 таблиц. Полный объем диссертации - 165 страниц.
