principy_nelinejnoj_optiki_1989 (769482), страница 102
Текст из файла (страница 102)
синхронизма для четырехволнового смешения в волокне может быть выполнено только в том случае, когда частотную дисперсию среды удается скомпенсировать модовой дисперсией волокна. Это можно сделать на дискретных частотах, когда используется многомодовое волокно. На практике оптическое волокно часто бывает несовершенным; эффективная когерентная длина для четырехволнового смешения при точном выполнении условия синхро- 482 этим несовершенством, например ивето длине. Если волна накачки имеет ова и антистоксова компоненты, то Ьф(1) - (ю/с) Лл1. (26Л7) Для случая, когда зеленый луч мощностью 100 мВт распространяется по волокну диаметром 3,5 мкм и длиной оценка показывает, что оптиче ломление, наведенное лине 100 м, получим Лф(1)-1 рад. Эта ский эффект Керра, т.
е. двулучепре- йно поляризованным лучом накачки, 483 31е низма обычно ограничивается менением диаметра волокна по те же две моды, что и стоке можно показать, что условие синхронизма становится менее критичным к изменению диаметра волокна (11, 21]. При этом эффективная когерентная длина может достигать 10 м при оь — со. = = 3000 см '. С такой большой когерентной длиной становится возможным даже параметрическое четырехволновое усиление, начинающееся от уровня шума. Оно наблюдалось в кварцевом во'локне при накачке импульсом с длиной волны 532 нм и пиковой мощностью, не превышающей нескольких сотен ватт (7]. Некоторые нелинейные оптические эффекты свяааны с наведенным оптическим полем изменением показателя преломления Ьл.
В стекле стп обычно мало: п, = = 2йп/]Е]* имеет порядок 10 " СГС. Тем не менее волноводная мода, распространяющаяся по длинному волокну, может получить заметный набег фазы, связанный с Ьл. Как видно из (26ЛО), набег фазы определяется выражением Ьф(1) = 6)ь„й (26Л6) Для оценки по порядку величины можно записать Рис. 23.4. Спектры иалучевия ва выходе ВРМВ-лазера, генерирующего стоксовы компоненты нескольких порядков.
Приведены спектры для нескольких уровней накачки — от 10-' Вт (верхняя кривая) до 3 Вт (нижняя кривая). Расстояние между спектральными компонентамв равно 34 ГГц [19] должен легко наблюдаться в оптическом волокне. К сожалению, обычное волокно неоднородно; в результате состояние поляризации входного луча будет непрерывно меняться по мере его распространения вдоль волокна. Это обстоятельство затрудняет наблюдение оптического эффекта Керра. Тем не менее этот эффект можно наблюдать в двулучепреломляющем волокне, в котором входной луч, поляризованный вдоль осей двулучепреломления, сохраняет свою поляризацию при распространении. Дополнительное двулучепреломление,наведенное полем накачки, можно обнаружить Рвс. 26.5.
Фотографии формы вмпульса ва входе и спектра излучения ва выходе вэ оптического волокна, имеющего кварцевую сердцевину дваметром 3,35 мкм. Под спектрами привэкевы зкачевия максималыюго фазового сдввга, который пропорционален пиковой мощности [14) чоктэээс д аээяэьэ по наведенному изменению поляризации пробного пучка, первоначально поляризованного не вдоль осей двулучепреломления. Оптический эффект Керра в двулучепреломляющем волокне наблюдался экспериментально [12, 13), и его предлагалось испольэовать для схем оптического переключения и формирования импульсов «22).
Если световой импульс болыпой интенсивности распространяется по оптическому волокну, то наведенное полем изменение фазы импульса зависит от времени. Это означает, что прошедший через волокно свет испытывает фазовую самомодуляцию, согласно (26.10) равную Ь<р(г) = 6К (~) 3 - ~Аоо (~) (*. Ситуация в данном случае очень похожа на случай фазовой самомодуляции света в нити самофокусировки, рассмотренный в разделе 17.7.
Следствием фазовой самомодуляции является уширение спектра прошедшего света. Как было показано в разделе 17.7, уширенный вследствие фаэовой самомодуляцин спектр должен иметь квазипериодическую структуру. Число 484 пиков в уширеином спеитре определяется ближайшим целым числом, меньшим Лф /2я, а крайние пики с обеих сторон сдвинуты по частоте на величину ~ду/д8! . Зги закономерности наблюдались в эксперименте, в котором импульсы аргонового лазера с синхронизованными модами длительностью $50 пс распространялись по кварцевому волокну диаметром несколько микрон и длиной 200 м [14). Спектральное уширение, наблюдавшееся при разных уровнях мощности на входе, показано на рис.
26.5. Полученные дан- бз и с у а Рпс. 26.6. Пропорцпопальпая мгповепной мощности фазозая самомояуяяцпя, испытываемая импульсом деятельностью 6 пс: а- форма импульса, 6- частотная модуляцпя, пропорциональная пропеводпой огибающей пмпуаьса [28) -гу -ж ные хорошо согласуются с теоретическими спектрами, вычисленными для фаз оной сам оподуляции импульса. Как кратко упоминалось в разделе $7.7, импульс с фазовой самомодуляцией можно сжать, пропустив его через соответствующим обрааом подобранную дисперсионную линию задержки, например, состоящую из пары дифракционных решеток. Принцип сжатия импульса ваключается в следующем.
Как видно из рис. 26.6, частотную модуляцию в средней части светового импульса, испытавшего фазовую самомодуляцию, можно аппроксимировать линейной функцией времени Ле -(2 — 8,), причем на фронте импульса частота меньше, чем на «хвосте». Если при прохождении через дисперсионную линию задержки низкочастотную часть импульса задержать относительно высокочастотной, импульс окажется сильно сжатым [23]. В качестве устройства для получения фазовой самомодуляции одномодовое оптическое волокно имеет то преимущество, что оно вызывает однородную фазовую модуляцию волноводной моды по всему ее поперечному профилю. Кроме того, наведенная добавка Лп в стекле имеет электронную природу и практически безынерцнонна даже в субпикосекундном масштабе времени. Таким образом, в сочетании с дисперсионной линией задержки оптическое волокно может быть эффективным устройством для сжатия коротких импульсов [241 Заметим, однако, что, когда фазовая самомодуляция приводит к значительному уширению спектра, становится существенной частотная дисперсия в самом волокне, что вызывает заметную деформацию импульса.
Конкуренция между дисперсией и нелиней- 686 постыл в волокне может приводить к очень интересным результатам: короткий импульс, распространяющийся по волокну, может быть либо сильно растянут, либо сжат в зависимости от его интенсивности и частоты. На анализе этой проблемы мы и остановимся ниже. 26.3 Распространение короткого импульса в оптическом волокне Задача о распространении импульса в волокне имеет большое значение во многих отношениях. С принципиальной точки зрения ее исследование может дать информацию о распространении импульса на большое расстояние в нелинейной среде.
Фактически эозможности, представляемые здесь волоконной оптикой, уникальны. Математически задача описывается нелинейным волновым уравнением, принадлежащим к тому же классу дифференциальных уравнений в частных производных, что и нелинейное уравнение Шредингера и уравнение Ландау — Гинзбурга. С практической точки зрения важным эффектом становится дисперсионное расплывание импульса, поскольку это может ограничить скорость передачи информации по оптическому волокну. Мы рассмотрим только простой случай распространения импульса в одномодовом волокне. Модовая дисперсия (играющая важную роль в многомодовом волокне) в этом случае отсутствует, и нам достаточно учесть только влияние на распространение импульса частотной дисперсии и индуцированного полем изменения показателя преломления.
Частотная дисперсия приводит к дисперсии групповой скорости доз/де> = — пад~К/де>з. Поэтому в линейной среде, как хорошо известно из линейной оптики, импульс, пройдя некоторый путь, расплывается. При наличии индуцированного полем изменения показателя преломления Ья ситуация осложняется. В зависимости от конкретных условий импульс, бегущий по волокну, может расплываться, сжиматься, деформироваться или даже разбиваться на множество импульсов. Формально распространение импульса в одномодовом волокне описывается нелинейным волновым уравнением, в котором нелинейность связана с индуцированным полем изменением Ьп. Если поле Е>о записано в виде (26А), то, используя приближение медленно меняющихся амплитуд, нелинейное волновое уравнение можно свести к уравнению для комплексной амплитуды (251 (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
