Динамика усиления и взаимодействия оптических солитонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

^РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСШТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 621.373.7

. АФАНАСЬЕВ Всеволод Всеволодович

ДИНАМИКА УСИЛЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОПТИЧЕСКИХ СОЛИТОНОВ

(01.04.21 - лазерная физика)

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических Наук

АВТОРЕФЕРАТ

СН

МОСКВА — 1994

i. общая характеристика работы

В последнее время большое внимание привлекает проблема распространения оптических солитонов. В оптических одномодовых волоконных световодах солитонный характер носит распространение импульсов пикосскундной и субпикосекуидной длительности при балансе керровсхой нелинейности и отрицательной дисперсии групповой скорости. Исследуются также квазиодномерные пространственные соли-гоны в объемных средах и пленарных волноводах, возникающие в результате баланса дифракции и нелинейной самофокусировки. Наряду с обычными соли тонами — импульсами-или пучками, называемыми также светлыми соди-тояами, — возможно существование и "темных" солитонов, или солитонов затемнения — локализованных областей уменьшения интенсивности плоской волны. Такие солитоны 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 несолитоняую компоненту. Важным свойством солитонов является их устойчивость — солитоны устойчивы к малому возмущению начальных параметров, что означает возможность их формирования из импульсов достаточно произвольной формы. Кроме того, солитоны устойчивы к возмущениям условий распространения, таким, как дисперсионные и нелинейные эффекты высших порядков, инерционность нелинейного отклика, случайные вариации дисперсии и дву-лучепреломления, шумы усилителей в т.д. Солитоны также устойчивы к столкновениям друг с другом, что означает возможность создания схем с частотным мультиплексированием.

, результаты:

1. Впервые показана возможность существовании связанных состой ний темных и светлых солитонов и исследовала их устойчивость. Впервые показана возможность управления взаимодействием солитонов при помощи слабого контрольного импульса и достижения устойчивого связанного состояния в такой системе.

2. В сотрудничестве с экспериментальной Группой, проведено исследование усиления солитона по длине световода с учетам всех: существен-, ных особенностей эрбиевого волоконного усилителя. Показана возможность 5-ти кратного сжатия и получения свободных от пьедестала одно-солитонных импульсов. \

3. Впервые проанализировано взаимодействие поляризашгонно- ортогональных солитонов для интегрируемого случая, и обнаружено, что взаимодействие может проявляться как неравномерное вращение поляризаций. .'

Задачи диссертационной работы

В диссертации решены следующие задачи:

1. 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.

2. Построена математическая модель для анализа распространения солитонов субпикосекундной длительности в эрбиевых волоконных усилителях, дающая возможность количественного описания динамвпот солитона. Показана возможность одновременного усиления й сжатия соли-тонов, найдены параметры формирующихся импульсов.

3. Определены основные закономерности взаимодействия солитонов

Phenomena' (NGWP'91,93 в Великобритании), Конференции по лазерам и электро-оптике (CLEO'93, США), б-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 оптоэлектронике, ¡Саутгемптон, Великобритания.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения. Первая глава начинается с обзора литературы со основным методам теоретического анализа распространения оптических солитонов. Описанные в этой главе методы используются для решения поставленных задач в последующих главах. Каждая из последующих глав, содержащих оригинальные результаты, начинается с краткого введения, а в заключении главы формулируются основные выводы. Диссертация содержит 140 страниц машинописного текста, 47 рисунков и список литературы из 154 наименований.

ii. содержание Работы

Во введении раскрывается цель исследования, обосновывается его актуальность и дается краткая характеристика исследуемых проблем.

ности. Во введении дан краткий обзор теоретических и экспериментальных результатов в данной области и численные примеры. Во втором параграфе обсуждается полная и редуцированна« числящая модель, ис-ыолъэуемая для анализа усиления солитонов. В третьем параграфе рассматривается возможность подавления ВКР-саморассхяниа солитонов за счет спектрально-ограниченного усиления. Далее анализируется проблема максимально достижимых коэффициентов усиление и степени кокпре-сии солитонов. <

В пятой главе численная модель для рассмотрения усиления солитонов, предложенная в предыдущей главе, применяется для анализа экспериментальных данных но усилению солитонвых импульсов. Во введении описана общая постановка эксперимента и его задачи. Во втором параграфе дано краткое описание эксперимент альвой установки. В третьем параграфе приводятся экспериментальные данные. Уникальная особенность данного эксперв' "нта состояла в том, что в ходе его выполнения эрбиевый усилитель укорачивался секциями по 12 см, таким образом были получены зависимости длительности импульса, его мощности и мощности накачки от длины световода в 28 точках. На начальном этапе динамика определялась линейным усилением исходного 460 фс импульса, затем происходило резкое "схлопываяие" вследствие нелинейного самосжатия и длительность импульса падала до 50 фс. Это вызывало усиление ВКР-саморассеяния, спектр импульса начинал двигаться в стоксову область й выходил из-под линии усиления. Вследствие дисперсии третьего порядка длительность импульса увеличивалась к концу световода примерно до 90 фс. В то же время конечная непрокачанная секция световода осуществляла фильтрацию несолитонной компоненты излучения. В четвертом параграфе описана модифицированная численная модель, использовавшаяся при проведении расчетов.

возмущений для односолитонного решения векторного ур&вненвя. Глава завершается сравнением аналитических в численных результатов для задачи устойчивости векторного солитона.

В восьмой главе рассмотрена задача

взаимодействия поляризационно- ортогональных солитонов. Во. введении показано, что эта задача возникает при рассмотрении линий .( »язи с поляризационным мультиплексированием и солитоийых логических затворю. Во втором параграфе рассмотрено векторное нелинейное уравнение Шредингера, особое внимание уделено интегрируемому Случаю --так называемой модели Манакова. В третьем параграфе анализируется взаимодействие двух солитонов одинаковой длительности, оценивается Период взаимодействия. Глава завершается рассмотрением взаимодействия солитонов разной длительности.

В заключении резюмируются основные результаты, полученные в диссертационной работ и приводятся выводы диссертационной работы.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получено приближенное аналитическое решение для векторного солитона с произвольным утлом поляризации. Показано, что при распространении такого солитона происходит нелинейное сайовоздействие, приводящее к изменению состояния поляризации солитона. Этот эффект может быть использован для поляризационной дискриминации по интенсивности- и поляризационной синхронизации мод.

2. Для системы двух нелинейных уравнений Шредингера, связанных через фазовую кросс-модуляцию, найдено, аналитическое решение в виде связанных темного и светлого солитонов. Определены области существования и устойчивости этого решения. Численно показана возможность управления взаимодействием солитонов с помощью слабого контрольного

а

5. В. В. Афанасьев, Б. М. Дианов. В. Н. Серкин, 'Взаимодействие оптических солитонов разных длин воля,' Краткие сообщения по физике, 1989, ном. 10, с. 21 - 23.

6. V. V. Afanasyev, V. A. Vysloukh, and V. N. Serkin, 'Decay and interaction of femtosecond optical solitons induced by the Raman self-scattering effect,' Opt. Lett, 1990, v. 15, no. 9, p. 489 - 491.

7. V. V. Afanasyev and V. N. Serkin, 'Theory of the Raman self -frequency shift of. solitoiis: bevoud the slowly varying envelope approximation,' Integrated Photonics Research, 1990, p. 93 - 94.

8. В. В. Афанасьев, JI. M. Ковачев, В. Н. Серкин, 'Смешанные состояния оптических солитонов разных длин воля,' Письма в ЖТФ, 1990, т. 16, ном. 14, с. 10 - 14.

9. В. В. Афанасьев, В. Н. Серкин, 'Нелинейная стабилизация мощных многосолитонных волновых пакетов в волоконных световодах,' Труды ИОФАН, 1990, т. 23, с. 26 - 38.

10. В. В. Афанасьев, Е. М. Дианов, А. М. Прохоров,, В. Н. Серкин, 'Усиление и компрессия фемтосекундных оптических солитонов в активных волокнах,' Письма в ЖТФ, 1990, т, 16, ном. 18, с. 67 - 71.

11. В. В. Афанасьев, Е. М. Дианов, В. Н. Серкин, 'Влияние эффекта рамановского самопреобразования частоты на динамику усиления оптических солитонов,' Краткие сообщения по физике, 1990, ном. 11, с. 8 -10.

12. Yu. S. Kivshar, D. Anderson, A. Hook, M. Lisak, V. V. Afanasjev, and V. N. Serkin, 'Symbiotic optical solitons and modulationa] instability,' Physica Scripta, 1991, v. 44, p. 195-202.

13. V. V. Afanasjev, V. N. Serkin, and V. A. Vysloukh, 'Theory of femtosecond soliton amplification in rare-earth-doped fibers,' Nonlinear Guided-Wave Phenomena, 1991, paper TuA5, p. 186 - 189.

23. V. V. Afanasjev and V. N. Serkin, 'Soliton interaction in Manakov's model,' Sov. Lightwave Commun., 19S3, v. 3, no. 2, p. 101- 110

24. V. V. Afanasjev and V. N. Serkin, 'A scheme for high-contrast, low power all-optical gate using spatial solitons,' Nonlinear Guided-Wavc Phenomena, 1993, paper MC5, p. 65 - 68. ■

25. V. V. Afanasjev and V. N. Serkin, 'Interaction of vector solitons,' Nonlinear Guided Wave Phenomena, 1993, paper TuB13, p. 232 - 235.>

26. V. V. Afanasjev, 'Interpretation of the effect of reduction of soliton interaction by bandwidth limited amplification,' Nonlinear Guided-Wave Phenomena, 1993, paper TuB3, p. 192 - 195. i'

27. V. V. Afanasjev, 'Vector soliton with arbitrary component ratio',' will be published in Opt. Commun. (1994).