Двухлучевая интерференция фемтосекундных спектральных суперконтинуумов

Цыпкин, Антон Николаевич

Двухлучевая интерференция фемтосекундных спектральных суперконтинуумов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Цыпкин, Антон Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Двухлучевая интерференция фемтосекундных спектральных суперконтинуумов»

Автореферат диссертации на тему "Двухлучевая интерференция фемтосекундных спектральных суперконтинуумов"

На правах рукописи

Цыпкин Антон Николаевич

ДВУХЛУЧЕВАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ СУПЕРКОНТИНУУМОВ

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г з май 20)3

005060077

Санкт-Петербург - 2013 г.

005060077

Работа выполнена на кафедре фотоники и оптоинформатики Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук,

профессор Козлов Сергей Аркадьевич

Официальные оппоненты: Яковлев Евгений Борисович,

доктор технических наук, профессор кафедры лазерных технологий и экологического приборостроения НИУ ИТМО

Королев Андрей Евгеньевич кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, руководитель лаборатории экспериментальной оптической физики ООО «Корнинг СНГ» научного центра Корнинг

Ведущая организация: ФГУП «Научно-производственная

корпорация «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»

Защита диссертации состоится «11» июня 2013 г. в 15 часов 50 минут в аудитории 285 на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр. д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат диссертации разослан «08» мая 2013 г. Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.02

Кандидат физико-математических наук,

доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

В оптике интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов эффект генерации спектрального суперконтинуума является фундаментальным и может наблюдаться практически во всех оптических средах. В настоящее время большое внимание уделяется анализу возможностей практического использования фемтосекундных спектральных суперконтинуумов. Излучение со сверхшироким спектром уже нашло применение для формирования предельно-коротких импульсов, в оптической когерентной томографии, в нелинейной микроскопии, в системах сверхбыстрой передачи информации и других приложениях.

Двухлучевая интерференция спектральных суперконтинуумов приводит к формированию квазидискретной структуры спектра излучения. Эти квазидискретные спектры интересны для различных применений. Их, например, можно рассматривать как множество отдельных источников излучения с различными центральными частотами и использовать в оптических системах связи при мультиплексировании по длине волны (Ш)М системы связи). Однако в работах, посвященных такому применению квазидискрегных спектральных суперконтинуумов, как правило, рассматривалась интерференция двух импульсов со сверхширокими спектрами, которые были задержаны друг относительно друга на временной интервал, значительно больший длительности каждого импульса. На момент начала настоящей работы актуальной была задача разработки новых физических принципов сверхбыстрой передачи информации квазидискретными спектральными суперконтинуумами, сформированными при временной задержке мезвду интерферирующими импульсами, меньшей, чем их длительности. Важным при этом было изучить параметры когерентности спектральных суперконтинуумов и их влияние на временные и спектральные характеристики результирующего излучения, которое получается при двухлучевой интерференции с малой задержкой между импульсами со сверхширокими спектрами.

Цель работы состояла в теоретическом и экспериментальном исследовании основных закономерностей интерференции сонаправленных спектральных суперконтинуумов, которые сформированы фемтосекундными лазерными импульсами, при временном сдвиге между интерферирующими импульсами, меньшем их длительности и приложений этих закономерностей в оптических системах сверхбыстрой передачи информации.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Исследование зависимости времени когерентности спектрального суперкоиггинуума, генерируемого в нелинейной оптической среде, от центральной длины волны излучения фемтосекундного лазерного импульса на входе в среду.

2. Исследование интерференции фемтосекундных спектральных суперконтинуумов при временном сдвиге между интерферирующими импульсами, меньшем их длительности.

3. Разработка самореферентного способа измерения коэффициента

квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких оптических импульсов.

4. Разработка и экспериментальная реализация способа кодирования информации путем частотного мультиплексирования одного квазидискретного спектрального суперконтинуума.

5. Создание экспериментального макета устройства генерации и кодирования квазидискретного спектрального суперконтинуума для оптических систем сверхбыстрой передачи информации.

Методы исследования:

Численное моделирование поставленных в рамке данной работы задач производилось на основе нелинейного уравнения динамики непосредственно электрических полей оптических импульсов из малого числа колебаний, а не их огибающих и было выполнено с помощью программного комплекса ЬВи11е1, а обработка полученных данных происходила в программном пакете Ма&Сас!.

Для экспериментальной верификации профилирования спектрального суперконтинуума в проекте использовался фемтосекундиый лазер на ТкБ, генерирующий импульсы длительностью 10-100 фс, с частотой повторения 100 МГц и средней мощностью 300 мВт, а в качестве генератора когерентного спектрального суперконтинуума — оптическое микрострукту- рированное волокно МС-38. Для экспериментальной реализации метода кодирования информации путем частотного мультиплексирования квазидискретного спектрального суперконтинуума была использована система спектрального мультиплексирования каналов, состоящая из призмы, линзы и зерхала с матрицей кодировки и представляющая собой двойной монохроматор. При создании экспериментального макета устройства оптической системы передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом со скоростью 1,12 Гб/с использовалась волоконная фемтосекундная лазерная система с шириной спектрального суперконтинуума 1310 - 1610 нм, частотой следования импульсов 70 МГц, оптические волоконные модуляторы и сверхбыстрые фотоприемники.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методами численного моделирования и аналитически показана, а также экспериментально верифицирована возможность формирования последовательности сверхкоротких световых субимпульсов с терагерцовой частотой повторения в результате интерференции двух фемтосекундных спектральных суперконтинуумов, генерируемых в области нормальной групповой дисперсии оптической среды, при временном сдвиге меладу интерферирующими импульсами, меньшем их длительности.

2. Предложен самореферентный способ измерения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких оптических импульсов, заключающийся в том, что исследуемый сверхкороткий импульс направляют на двухлучевой интерферометр, с помощью автокоррелятора регистрируют формируемую последовательность и по числу субимпульсов, составляющих эту последовательность, и длительности всей последовательности определяют искомый коэффициент.

3. Предложен способ сверхбыстрой передачи информации парой интерферирующих фемтосекундных оптических импульсов со сверхширокими спектрами путем такого кодирования информации в квазидискретном спектральном суперконтинууме, что каждая спектральная линия в нем рассматривается как 1 бит информации. Экспериментально продемонстрирована оптическая запись и передача по одномодовому оптическому волокну 45 бит информации одним квазидискретным спектральным суперконтинуумом общей длительностью 900 фс.

4. Создан экспериментальный макет устройства сверхбыстрой передачи информации парами интерферирующих фемтосекундных спектральных суперконтинуумов, работающий в диапазоне длин волн от 1310 нм до 1610 нм, использующий 16 спектральных линий шириной 20 нм и обладающий скоростью передачи информации в двоичной системе 1,12 Гбит/с, при частоте повторения следования спектральных суперконтинуумов 70 МГц.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. Теоретически разработан и экспериментально верифицирован способ формирования последовательности сверхкоротких импульсов с терагерцовой частотой повторения на основе двухлучевой интерференции волн со сверхширокими спектрами.

2. Разработан и экспериментально верифицирован самореферентный способ измерения параметров фазовой модуляции оптических сверхкоротких импульсов, позволяющий прямое определение коэффициента квадратичной фазовой модуляции.

3. Разработан способ сверхбыстрой передачи информации квазидискретными спектральными пакетами, который экспериментально апробирован при создании мобильного образца системы кодирования и сверхбыстрой оптической передачи информации в каждом квазидискретном спектральном пакете.

Достоверность полученных результатов обоснована тем, что разработанные способы генерации последовательности сверхкоротких импульсов и измерения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких импульсов апробированы экспериментально. На основе разработанных физических принципов оптической сверхбыстрой передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом разработан мобильный образец устройства, реализующего эти принципы.

Практическую ценность представляет собой то, что:

1. Предложенный самореферентный способ измерения параметров фазовой модуляции может быть использован для прямого и быстрого определения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких импульсов.

2. Разработанный экспериментальный макет устройства сверхбыстрой передачи информации с использованием квазидискретного спектрального суперконтинуума может быть использован в системах волоконных оптических линий связи.

Практическая реализация результатов работы:

Результаты работы использовались при выполнении проектов в рамках государственных контрактов, грантов РФФИ и аналитических ведомственных программ Министерства образования и науки. В рамках программы «У.М.Н.И.К.» два года подряд проводились НИР «Способ передачи информации при помощи квазидискретного спектрального суперконтинуума со скоростью свыше 10 Тб/с» (2008-2009 г.г.) и «Разработка экспериментальной установки для передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом со скоростями свыше 10 Тб/с» (2009-2010 г.г.) Диссертант также был руководителем государственного контракта №14.132.21.1392 и гранта РФФИ №12-02-31633 в 2012 году.

Апробация работы:

Результаты диссертационной работы апробировались на 19 Международных и Российских конференциях: Международной конференции LOYS (Санкт-Петербург, 2012), Международных конференциях "Фундаментальные проблемы оптики" (Санкт-Петербург, 2006, 2010, 2012), Российском семинаре по волоконным лазерам (Новосибирск, 2012), Международных конференциях молодых ученых и специалистов "Оптика" (Санкт-Петербург 2007, 2009, 2011), Международной конференции "Nonlinear Optics: East-West Reunion" (Суздаль, 2011), Научно-технической конференции - семинаре по фотонике и информационной оптике (Москва, 2011), XI Всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (г. Звенигород, Московская область, 2007), научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2008, 2010, 2011), Всероссийских межвузовских конференциях молодых учёных (Санкт-Петербург, 2007, 2008), научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012, 2013), Научно-практической конференции "Фотоника и информационная оптика-2011" (НИЯУ МИФИ, Москва, 2011).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 в изданиях списка ВАК и 1 патент РФ.

Личный вклад

Научным руководителем была сформулирована цель исследования. Диссертант принимал участие в постановке и решении задач, обработке, обсуждении и отборе полученных результатов. Все результаты численного моделирования и экспериментов, представленные в работе, а также их анализ, выполнены лично диссертантом.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 115 страниц, включая библиографию из 105 наименований. Работа содержит 60 рисунков, размещенных внутри глав. .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы ее цель, задачи, перечислены научные положения, выносимые на защиту, определена структура работы.

В первой главе приведен обзор известных методов профилирования спектрального суперконтинуума, генерации последовательности сверхкоротких оптических импульсов, определения фазы сверхкороткого светового импульса и кодирования информации путем частотного мультиплексирования квазидискретного спектрального суперконтинуума.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию закономерностей фазовой модуляции фемтосекундных импульсов в процессе генерации спектрального суперконтинуума в областях нормальной, нулевой и аномальной групповых дисперсий кварцевого волокна и расчету их времени когерентности.

В §2.1 приведены результаты численного моделирования эволюции фемтосекундных оптических импульсов в оптическом волокне из кварцевого стекла.

На рис. 1 представлен типичный результат численного моделирования эволюции импульса с исходной центральной данной волны Х0 = 780 нм, входной длительностью т = 40 фс и интенсивностью 1=0.6x1013 Вт/см2 при его распространении в кварцевом волокне длиной 3 мм. Характерно, что при генерации спектрального суперконтинуума в области нормальной групповой дисперсии оптической среды зависимость "мгновенной" частоты «„.„ излучения от времени, начиная с некоторого расстояния, для всех рассчитанных в работе случаев, как и на рис. 1, становится в нелинейной среде квазилинейной:

где а0 - коэффициент квадратичной фазовой модуляции, ед, - центральная частота излучения. Так при условиях рис. 1 на выходе из среды коэффициент фазовой модуляции равен Оо = 0,03.

Рис. 1 - Эволюция (а) огибающей электрического поля светового импульса А, нормированной на максимум входной амплитуды А0 (сплошная линия), "мгновенной" частоты со„,„, нормированной на центральную частоту со0 излучения (жирная линия), (б) спектральной плотности G, нормированной на максимальную входную спектральную плотност ь Go при распространении импульса в кварцевом волокне с начальной центральной длиной волны 780 ни. длительностью 40 фс и пиковой интенсивностью 0,6x1013 Вт/см2. Во вставке для

(і)

-100 0 100 200 t, фс

наглядности приведена формирующаяся в процессе распространения полевая структура электрического поля светового импульса.

При генерации спектрального суперконтинуума в области нулевой групповой дисперсии оптической среды на выходе из среды наблюдается более сложный характер фазовой модуляции импульса. На рис. 2 представлен типичный результат численного моделирования для импульса с исходной центральной длиной волны Х„= 1270 нм, входной длительностью тр = 12 фен интенсивностью 1= ЗхЮ13 Вт/см2 при его распространении в кварцевом волокне.

г, мм; (а) 0,4/---------'

о,а— ол^А о

30 0 30 60 90 120 Г, фс

З ій'Оід

Рис. 2 - (а) Динамика электрического поля Е светового импульса, нормированного на максимальную величину входного поля Ец, (б) спектральной плотности <3 светового импульса, нормированной на максимальную входную спектральную плотность бо, (в) зависимости "мгновенной" частоты шии, нормированной на центральную частоту Шо входного светового импульса с начальной центральной длиной волны 1270 нм, длительностью 12 фс и пиковой интенсивностью ЗхЮ13 Вт/см2 при распространении импульса в кварцевом волокне.

Из рис. 2 видно, что на переднем фронте импульса модуляция имеет отрицательный знак, на заднем же фронте меняет его на противоположный. При этом на заднем фронте импульса фазовая модуляция становится близкой к линейной.

При генерации спектрального суперконтинуума в области аномальной групповой дисперсии оптической среды на выходе из среды наблюдается нелинейный характер фазовой модуляции временной структуры. На рис. 3 представлен типичный результат расчета динамики импульса с исходной центральной длиной волны А.0= 2000 нм, входной длительностью тр =12 фс и интенсивностью /=Зх1013 Вт/см2 при его распространении в одномодовом волокне из кварцевого стекла.

0 12 3 c,J/va

Рис. 3 - (а) Динамика электрического поля Е светового импульса в волокне, нормированного на максимальную величину входного поля Е„, (б) спектральной плотности в светового импульса в

волокне, нормированной на максимальную входную спектральную плотность во, (в) зависимости "мгновенной" частоты шига, нормированной на центральную частоту ш0 входного светового импульса с начальной центральной длиной волны 2000 нм, длительностью 12 фс и пиковой интенсивностью ЗхЮ13 Вт/см2 при распространении импульса в кварцевом волокне.

Для определения времени когерентности рассматривали интерференцию фемтосекундного оптического импульса с самим собой, сдвинутым на временную задержку Дт. Зная временную структуру поля спектрального суперконтинуума на выходе из нелинейной оптической среды, можно определить интерференционный сигнал по формуле:

/(Дг) = J (E(t)+E(t+&T)y-dt, (2)

где 1(Ат) - зависимость интенсивности интерференционного поля от временной задержки; E(t), E(t+ Ar) - временная структура поля на выходе из оптической среды и сдвинутое во времени то же поле.

На рис. 4 приведен типичный пример графического определения времени когерентности тког фемтосекундного спектрального суперконтинуума. В качестве

(кривая 2), накладываемая на функцию интерференционного сигнала (кривая 1), рассчитанную по формуле (2), для временной структуры спектрального суперконтинуума на выходе из кварцевого оптического волокна для входного импульса длительностью тр = 40 фс, пиковой интенсивностью /= 1хЮ13 Вт/см2, и центральной длиной волны излучения л0= 800 нм.

огибающей использовалась экспоненциальная функция

Рис. 4 - Расчет времени когерентности тког импульса со сверхшироким спектром; кривая 1 -интерференционный сигнал (при генерации спектрального суперконтинуума для исходного импульса длительностью 40 фс, пиковой интенсивностью 1 х 1013 Вт/см2 и центральной длиной волны излучения 800 им), кривая 2 - экспоненциальная огибающая.

На рис. 5 приведены результаты расчета тюг для импульсов той же, что и на рис. 4, длительности и интенсивности, но разной центральной длины волны импульса на

X, нм

Рис. 5 - Зависимость времени когерентности от центральной длины фемтосекундного лазерного импульса на входе при длительности исходного импульса тр = 40 фс и пиковой интенсивности

/=1хЮ13 Вт/см2.

Из рисунка видно, что при увеличении центральной длины волны входного импульса время когерентности генерируемого в нелинейной среде спектрального суперконтинуума значительно уменьшается, однако, в области нулевой групповой дисперсии кварцевого стекла наблюдается увеличение гюг. Так, для длительности исходного импульса 40 фс и пиковой интенсивности /= 1013 Вт/см2, на длине волны 800 нм гАЖ = 22 фс, при увеличении длины волны гкаг падает до 4 фс на длине волны 1180 нм. В области нулевой групповой дисперсии ттг резко увеличивается до 20 фс, после чего опять уменьшается, достигая минимума в 4 фс на длине волны 1560 нм.

Третья глава посвящена обоснованию способа формирования последовательности сверхкоротких оптических импульсов в результате интерференции двух фазовомодулированных импульсов при временном сдвиге между ними, меньшем их длительности.

сдвиге между ними, меньшем их длительности, для различных интенсивностей входных импульсов. Рис. 6 иллюстрирует типичный результат интерференции спектральных суперконтинуумов, сгенерированных при входном импульсе с длительностью Тр = 20 фс, пиковой интенсивностью 1= 1013 Вт/см2 и центральной длиной волны излучения Хо = 800 нм. Как видно из рисунка, результатом интерференции является последовательность импульсов, которой соответствует квазидискретный спектральный суперконтинуум. Показано, что количество фемтосекундных субимпульсов в последовательности увеличивается с увеличением коэффициента фазовой модуляции и временной задержки между интерферирующими импульсами.

(а)

2 Л и/юи

Рис. 6-Результирующее поле интерференции Е (а) и спектральная плотность С (б) двух интерферирующих спектральных суперконтинуумов.

В §3.2 приведено теоретическое обоснование формирования последовательности сверхкоротких оптических субимпульсов при интерференции двух фемтосекундных спектральных суперконтинуумов.

На рис. 7 иллюстрирована типичная картина интерференции полей одинаковых фемтосекундных импульсов с фазовой модуляцией

Е(і)=Е0-ехр

/ ( \ 1 24!

\ \ р ) У

««(оу \-аа/), задержанных друг относительно друга на

различные временные интервалы ¿/г=2/3тр...2т„ фс.

т* ' к (в)

J п У 1л.

о ол

"*" ¡11

Л к. ■

о ол

Л к

й йЛ 1

СЛ к..

I, фс

Л Ъ.*

<Ь/<Яо ■ ОТН. ЄД-

Рис. 7 - Интерферирующие фемтосекундные импульсы с линейной частотной модуляцией сдвинутые во времени (а), квадрат результирующего поля Esum 2(t) (б) и квадрат модуля спектра сдвинутых по времени друг относительно друга иетерферирующнх фазомодулированных фемтосекундных импульсов.

Как видно из рис. 76, результатом интерференции является регулярная последовательность световых импульсов. Последовательность формируется до тех пор, пока временная задержка между импульсами меньше длительности интерферирующих импульсов, Ат<тр.

При условии Дт«т, выражение для суперпозиции световых полей двух импульсов £„„(y = £,(0+£i('+Ar) можно записать в более простом виде:

E«,J0 = 2£0- cos (fl)nJ+(pay cos ((й>0 +wmd)i+aw0r +<р0), (3)

гДе c,»»i=aa0Ar - частота последовательности субимпульсов, -

начальная фаза результирующего излучения. Таким образом, частота модуляции последовательности субимпульсов зависит от временной задержки между интерферирующими импульсами, коэффициента их квадратичной фазовой модуляции и центральной частоты лазерного излучения.

На рис. 8 приведена схема экспериментальной установки интерференционного формирования последовательности фемтосекундных импульсов и соответствующего ей квазидискретного спектрального суперконтинуума. Основой установки являлся лазер (1 на рис. 8) на кристаллах титан-сапфира, накачиваемый второй гармоникой неодимового непрерывного твердотельного лазера с диодной накачкой. Для компенсации чирпа лазерного излучения использовался внешний компенсатор дисперсии. Длительность оптических импульсов с центральной длиной волны 780 нм на выходе лазерной системы составляла 20 фс, ширина спектра по его полувысоте - 54 нм. Частота следования импульсов была равной 100 МГц, а средняя мощность лазерного излучения составляла 330 мВт.

Лазерный импульс (2) направлялся в интерферометр Майкельсона (3), состоящий из светоделительного кубика (4) и двух зеркал (5, 6). При прохождении через светоделительный кубик длительность импульса из-за дисперсии его оптического материала увеличивалась (7) и импульс приобретал фазовую модуляцию. После светоделительного куба (4) излучение попадало на сканирующее зеркало (5) и опорное зеркало (6). Передвижение зеркала (5) микрометрической подвижкой обеспечивало управление временным сдвигом между импульсами. На выходе из интерферометра формировалась последовательность фемтосекундных оптических субимпульсов, спектр которой имел квазидискретный вид (8). Излучение, выходящее из интерферометра, регистрировалось с помощью автокоррелятора A VESTA AA-20DD (9). Измерения спектра производились с помощью спектрометра ASP 100 в диапазоне длин волн 190-1100 нм.

Рис. 9 - Авторреляционные функции 1(Дт) излучения на выходе из интерферометра Майкельсона и его спектр ]G(X)f при различных временных сдвигах между импульсами в интерферометре: 0 фс (а), 20 фс (б), 40 фс (в), 60 фс (г).

Из рисунков видно, что при появлении временной задержки между импульсами (рис. 9б-г) автокорреляционная функция демонстрирует формирование в их интерференционной структуре регулярной последовательности субимпульсов, причем при увеличении временной задержки длительность субимпульсов во временной последовательности уменьшается, а частота их повторения увеличивается. При увеличении временного сдвига между интерферирирующими импульсами от 20 фс до 60 фс, длительность субимпульсов уменьшилась с 65 фс до 50 фс. Как видно из рисунка, длительность чирпированного импульса на выходе из светоделительного кубика составляла х- = 180 фс (рис. 9а). Фазовую модуляцию импульса подтверждает наличие пьедестала у корреляционной функции. Ширина спектра излучения в кубике не изменялась, что указывало на практическое отсутствие в данном эксперименте нелинейных эффектов.

Приведено и теоретическое обоснование формирования интерференционной последовательности сверхкоротких импульсов в эксперименте и регистрации ее автокоррелятором. Для этого было рассчитано изменение временной структуры лазерного импульса в кварцевом стекле светоделительного кубика интерферометра Майкельсона. При расчетах параметры импульса и среды полагали следующими: т = 20 фс, Xq = 2лс/со0 = 780 нм, n0(e>)=N0+aaa1- Ьаа'2, где W0 = 1.45, а = 2.74х 10"4*с3/см, 6 = 3.94x10" с"'см"'; пройденное импульсом расстояние в стеклянном кубике брали соответствующим эксперименту Z = 4 см.

Fla рис. 10 даны теоретически полученные результаты интерференции двух фемтосекундных импульсов, параметры которых рассчитаны для различных и соответствующих реализованным в экспериментах временных сдвигов импульсов друг относительно друга. Как видно из рисунка, при интерференции двух импульсов длительностью 180 фс при временном сдвиге между ними 40 фс формируется последовательность четырех субимпульсов с длительностью 57 фс каждый (рис. 106) и частотой их повторения 20 ТГц. Эта частота определяется временным сдвигом между импульсами и коэффициентом частотной модуляции фемтосекундного импульса. При увеличении временного сдвига между импульсами с 20 фс до 60 фс (рис. 10 б-г) частота повторения импульсов изменилась с 15 ТГц до 20,8 ТГц. Важно, что количество пичков в квазидискретных спектрах (рис. 10 (2)) обсуждаемых последовательностей субимпульсов (рис. 10 (1)) совпадает с их количеством в последовательностях. Как видно из рисунка, рассчитанная автокорреляционная функция (рис. 10 (3)) и спектр (рис. 10 (2)) интерференционной структуры двух импульсов как качественно, так и количественно совпадает с полученными в экспериментах и приведенных выше на рис. 9.

передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом; 1 - генератор сверхкоротких импульсов, 2 - генератор спектрального суперконтинуума, 3 - микрообъективы, 4 - спектральный суперконтинуум, 5 - светоделительный элемент, 6 - сканирующее зеркало, 7 - опорное зеркало, 8 - квазидискретный спектральный суперконтинуум, 9 -мультиплексор/демультиплексор, 10-волоконные амплитудные модуляторы, 11 - внешний генератор, 12 - оптическое волокно, 13 - массив фотодетекторов, 14 - осциллограф, 15 -закодированный переданный квазидискретный спектральный суперконтинуум, 16 - компьютер.

В §4.4 описан экспериментальный макет оптической системы сверхбыстрой передачи информации парами интерферирующих спектральных суперконтинуумов.

На основе функциональной схемы мобильного образца оптической системы сверхбыстрой передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом был создан экспериментальный макет предложенной системы. В качестве источника фемтосекундного спектрального суперконтинуума использовачась волоконная фемтосекундная система EFOA-UB (Avesta). Она включает: кольцевой волоконный лазер с пассивной синхронизацией мод, который выдает импульсы с частотой повторения 70МГц и длительностью 150300 фс, усилитель на основе световода легированного ионами Ег3+ с накачкой двумя лазерными диодами и участок высоконелинейного световода, легированного германием для генерации спектрального суперконтинуума. Выходная мощность системы составляет 150 мВт, длительность импульса твых = 900 фс, а ширина спектра от 1300 нм до 1620 нм. В качестве двухлучевого интерферометра был собран интерферометр Майкельсона, состоящий из двух трехкоординатных подвижек и микрообъективов для ввода и вывода излучения,

возможность формирования последовательности сверхкоротких световых субимпульсов с терагерцовой частотой повторения в результате интерференции двух фемтосекундных спектральных суперконтинуумов, генерируемых в области нормальной групповой дисперсии оптической среды, при временном сдвиге между интерферирующими импульсами, меньшем их длительности. Экспериментально показано и теоретически обосновано, что при увеличении временного сдвига между интерферирирующими частотномодулированными импульсами длительностью 180 фс с 20 фс до 60 фс, длительность субимпульсов в последовательности уменьшалась с 65 фс до 50 фс, а частота их следования возрастала с 15 ТГц до 20,8 ТГц.

3. Предложен самореферентный способ измерения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких оптических импульсов, заключающийся в том, что исследуемый сверхкороткий импульс направляют на двухлучевой интерферометр, с помощью автокоррелятора регистрируют формируемую последовательность и по числу субимпульсов, составляющих эту последовательность, и длительности всей последовательности определяют искомый коэффициент. Экспериментально продемонстрировано, что данный способ обеспечивает определение параметра квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких чирпированных импульсов.

4. На основе предложенного способа сверхбыстрой передачи информации парой интерферирующих фемтосекундных оптических импульсов со сверхширокими спектрами путем такого кодирования информации в квазидискретном спектральном суперконтинууме, что каждая спектральная линия в нем рассматривается как 1 бит информации, экспериментально продемонстрирована оптическая запись и передача по одномодовому оптическому волокну 45 бит информации одним квазидискретным спектральным суперконтинуумом общей длительностью 900 фс.

5. Предложены и разработаны принципиальная и функциональная схемы, а на ее основе создан экспериментальный макет, демонстрирующий физические принципы передачи информации парами интерферирующих спектральных суперконтинуумов, работающий в диапазоне длин волн от 1310 нм до 1610 нм, передающий информацию квазидискретным спектральным суперконтинуумом с 16 спектральными линиями шириной 20 нм и обладающий скоростью передачи информации в двоичной системе 1,12 Гбит/с, при частоте повторения следования спектральных суперконтинуумов 70 МГц. Число спектральных линий в квазидискретном спектральном суперконтинууме может быть увеличено до 70 а частота повторения спектральных суперконтинуумов для уже существующих систем может составлять 20 ГТц. Все это позволит передавать информацию со скоростью свыше 1,4 Тбит/с.

Публикации по материалам диссертации:

Патент РФ:

1. Дроздов A.A., Козлов С.А., Цыпкин А.Н. Устройство формирования последовательности фемтосекундных световых импульсов. - патент РФ на полезную модель, № 87058,2009.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

2. Белашенков Н.Р., Дроздов A.A., Козлов С.А., Шполянский Ю.А., Цыпкин А.Н. Фазовая модуляция фемтосекундных световых импульсов, спектры которых сверхуширены в диэлектриках с нормальной групповой дисперсией. -Оптический журнал, 2008. т. 75, № 10, С. 3-8.

3. Дроздов A.A., Цыпкин А.Н., Козлов С.А., Интерференция фемтосекундных спектральных суперконтинуумов с линейной фазовой модуляцией. - Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2008. выпуск 52, С. 34. Цыпкин А.Н., Мельник М.В., Расчет времени когерентности

фемтосекундного спектрального суперконтинуума в кварцевом оптическом волокне. - Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. выпуск 3(85), С. 42-46.

Публикации в других изданиях:

5. Дроздов A.A., Козлов С.А., Цыпкин А.Н. Интерференция фемтосекундных спектральных суперконтинуумов, генерируемых в диэлектрике с нормальной групповой дисперсией. - Сборник трудов IV Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2006». СПб. 2006. Россия С 12-14.

6. Дроздов A.A., Цыпкин А.Н. Возможность передачи информации со скоростями свыше 10 Тбт/с с помощью квазидискретного спектрального суперконтинуума. - Сборник трудов V Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2007». СПб. С. 96-97.

7. Дроздов A.A., Козлов С.А., Цыпкин А.Н. Метод получения квазидискретного спектрального суперконгинуума для передачи информации со скоростями свыше 10 Тбт/с. - Сборник трудов XI Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». 2007. Звенигород. Московская область. 2007. Россия. С. 66-68.

8. Дроздов A.A., Цыпкин А.Н. Фазовая модуляция фемтосекундных световых импульсов разного спектрального состава со спектрами, сверхуширенными в диэлектриках с нормальной групповой дисперсией. -Материалы VI Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2009». СПб. 2009. Россия. С. 181-184.

9. Дроздов A.A., Цыпкин А.Н. Интерференция суперпозиционных суперконтинуумов с квазилинейной фазовой модуляцией- Труды научно-исследовательского центра фотоники и оптоинформатики, Редакционно-издательский отдел СПбГУ ИТМО. СПб. 2009. С. 79-85.

10. Дроздов A.A., Козлов С.А., Трухин В.Н., Цыпкин А.Н. Управление параметрами квазидискретного фемтосекундного спектрального суперконтинуума. - Сборник трудов VI Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» «ФПО - 2010». СПб. 2010. Россия С 7881.

11. Дроздов A.A., Козлов С.А., Трухин В.Н., Цыпкин А.Н. Формирование квазидискретного спектрального суперконтинуума и управление его

І.

параметрами. - Сборник научных трудов Научной сессии НИЯУ МИФИ-2011, Научно-технической конференции-семинара по фотонике и информационной оптике, г. Москва. 2011. Россия. С. 140-141.

12. Козлов С .А., Беспалов В.Г., Путилин С.Э, Дроздов A.A., Цыпкин А.Н., Генерация квазидискретного спектрального суперконтинуума при интерференции фемтосекундных фазомодулированных лазерных импульсов. -Материалы VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика - 2011» СПб. С. 3-5.

13. Петров Н.В., Городецкий A.A., Беспалов В.Г., Цыпкин А.Н., Куля М.С., Дроздов A.A., Виртуальный лабораторный практикум: Фемтосекундная оптика и фемтотехнологии. - Редакционно-издательский отдел НИУ ИТМО 2011 32 с.

14. Цыпкин А.Н., Путилин С.Э., Козлов С.А., Оптическая передача информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом со скоростью 70 Тб/с.-Вкн.: Труды международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики —2012». СПб. 2012. Россия, С. 379-382.

15. Цыпкин А.Н., Мельник М.В., Выявление оптимальных условий генерации высококогерентного спектрального суперконтинуума в областях нормальной, нулевой и аномальной дисперсии групповых скоростей. - В кн.: Труды международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики -2012». СПб. 2012. Россия, С. 459-460.

16. Мельник М.В., Цыпкин А.Н., Выявление оптимальных условий генерации высококогерентного спектрального суперконтинуума в оптическом волокне. - В кн.: Труды кошресса молодых ученых КМУ. 2013. В. 3, С. 196-198.

17. Комарова Ю.А., Цыпкин А.Н., Закономерности формирования последовательности сверхкоротких субимпульсов при интерференции двух фазовомодулированных фемтосекундных импульсов. - В кн.: Труды конгресса молодых ученых КМУ. 2013. В. 3, С. 190-192.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812)233 46 69. Объем 1,0 у.пл. Тираж 100 экз.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Цыпкин, Антон Николаевич, Санкт-Петербург

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

На правах рукописи

04201357663

Цыпкин Антон Николаевич

ДВУХЛУЧЕВАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ СУПЕРКОНТИНУУМОВ

Специальность 01.04.05 - Оптика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук,

профессор Козлов С.А.

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ СВЕТОВЫХ ИМПУЛЬСОВ СО СВЕРХШИРОКИМИ СПЕКТРАМИ (ОБЗОР).................13

§1.1. Методы профилирования спектрального суперконтинуума и

управления числом и шириной спектральных линий

квазидискретного спектра............................................................................13

§ 1.2. Методы генерации последовательности сверхкоротких световых импульсов с высокой частотой следования...............................20

§1.3. Методы определения фазы сверхкороткого светового импульса.........................................................................................................27

§1.4. Методы кодирования информации путем частотного мультиплексирования квазидискретного спектрального суперконтинуума...........................................................................................31

ГЛАВА 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ СПЕКТРАЛЬНОГО СУПЕРКОНТИНУУМА В ОБЛАСТЯХ НОРМАЛЬНОЙ, НУЛЕВОЙ И АНОМАЛЬНОЙ ГРУППОВЫХ ДИСПЕРСИЯХ ОПТИЧЕСКОЙ СРЕДЫ...........................................................39

§2.1. Результаты численного моделирования эволюции фемтосекундных световых импульсов в волокне из кварцевого стекла в областях его нормальной, нулевой и аномальной групповой дисперсии....................................................................................39

§2.2. Результаты численного моделирования по определению времени когерентности спектральных суперконтинуумов, генерируемых в областях нормальной, нулевой и аномальной групповой дисперсии кварцевого оптического волокна...........................46

ГЛАВА 3. ГЕНЕРАЦИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СВЕРХКОРОТКИХ СУБИМПУЛЬСОВ ПРИ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ ДВУХ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ СУПЕРКОНТИНУУМОВ.....................................................................................53

§3.1. Результаты численного моделирования интерференции двух

фемтосекундных спектральных суперконтинуумов при

временном сдвиге между ними, меньшем их длительности....................53

§3.2. Аналитическое обоснование формирования последовательности сверхкоротких субимпульсов при интерференции двух фемтосекундных спектральных суперконтинуумов.........................................................................................59

§3.3. Результаты физического эксперимента по интерференции двух фазовомодулированных фемтосекундных импульсов при временном сдвиге между интерферирующими импульсами, меньшем их длительности............................................................................65

§3.4. Самореферентный способ измерения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких световых импульсов.......................................................................................................72

ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЕРХБЫСТРОЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ КВАЗИДИСКРЕТНЫМ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ СУПЕРКОНТИНУУМОМ.................................................75

§4.1. Принцип оптической сверхбыстрой передачи информации

парами интерферирующих фемтосекундных спектральных

суперконтинуумов.........................................................................................75

§4.2. Экспериментальная реализация оптической записи и передачи 45 бит информации одним квазидискретным спектральным суперконтинуумом...............................................................80

§4.3. Принципиальная и функциональная схемы мобильного образца оптической системы сверхбыстрой передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом.........88

§4.4. Экспериментальный макет устройства сверхбыстрой передачи информации парами интерферирующих фемтосекундных спектральных суперконтинуумов..................................91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................100

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................103

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В оптике интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов эффект генерации спектрального суперконтинуума является фундаментальным и может наблюдаться практически во всех оптических средах [18-19]. В настоящее время большое внимание уделяется анализу возможностей практического использования фемтосекундных спектральных суперконтинуумов. Излучение со сверхшироким спектром уже нашло применение для формирования предельно-коротких импульсов [20], в оптической когерентной томографии [21], в нелинейной микроскопии [22], в системах сверхбыстрой передачи информации и других приложениях [23].

Двухлучевая интерференция спектральных суперконтинуумов приводит к формированию квазидискретной структуры спектра излучения. Эти квазидискретные спектры интересны для различных применений [2935]. Их, например, можно рассматривать как множество отдельных источников излучения с различными центральными частотами и использовать в оптических системах связи при мультиплексировании по длине волны ^ЭМ системы связи) [29, 31, 36]. Однако в работах, посвященных такому применению квазидискретных спектральных суперконтинуумов, как правило, рассматривалась интерференция двух импульсов со сверхширокими спектрами, которые были задержаны друг относительно друга на временной интервал, значительно больший длительности каждого импульса [39]. На момент начала настоящей работы актуальной была задача разработки новых физических принципов сверхбыстрой передачи информации квазидискретными спектральными суперконтинуумами, сформированными при временной задержке между интерферирующими импульсами, меньшей, чем их длительности. Важным при этом было изучить параметры когерентности спектральных суперконтинуумов и их влияние на временные и спектральные

характеристики результирующего излучения, которое получается при двухлучевой интерференции с малой задержкой между импульсами со сверхширокими спектрами [23-28].

Задачи исследования:

1. Исследование зависимости времени когерентности спектрального суперконтинуума, генерируемого в нелинейной оптической среде, от центральной длины волны излучения фемтосекундного лазерного импульса на входе в среду.

3. Разработка самореферентного способа измерения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких оптических импульсов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методами численного моделирования и аналитически показана, а также экспериментально верифицирована возможность формирования последовательности сверхкоротких световых субимпульсов с терагерцовой частотой повторения в результате интерференции двух фемтосекундных спектральных суперконтинуумов, генерируемых в области нормальной групповой дисперсии оптической среды, при временном сдвиге между интерферирующими импульсами, меньшем их длительности.

1310 нм до 1610 нм, использующий 16 спектральных линий шириной 20 нм и обладающий скоростью передачи информации в двоичной системе 1,12 Гбит/с, при частоте повторения следования спектральных суперконтинуумов 70 МГц.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

Практическую ценность представляет собой то, что:

Краткое содержание работы

В первой главе приведен обзор известных методов профилирования спектрального суперконтинуума, генерации последовательности сверхкоротких световых импульсов, определения фазы сверхкороткого светового импульса и кодирования информации путем частотного мультиплексирования квазидискретного спектрального суперконтинуума.

Из представленного обзора видно, что существует большое разнообразие работ, посвященных описанию спектральной и пространственной, двухлучевой и многолучевой интерференций спектральных суперконтинуумов, исследованию способов формирования последовательностей сверхкоротких импульсов и управления их параметрами, изучению методов определения фазы сверхкороткого импульса, а также разработке и созданию систем или устройств передачи информации квазидискретными спектрами. Проделанный обзор показал, что интерес к работам, связанных с интерференцией фемтосекундных спектральных суперконтинуумов на выходе из нелинейных сред, активно

растет. При этом целесообразно рассмотреть случай, когда временная задержка между интерферирующими импульсами меньше их длительности. При таком подходе удастся выделить принципиальные и оригинальные моменты, связанные с физикой такой интерференции.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию закономерностей фазовой модуляции фемтосекундных импульсов в процессе генерации спектрального суперконтинуума в областях нормальной, нулевой и аномальной групповых дисперсиий кварцевого волокна и расчету их времени когерентности.

В §2.2 приведены результаты расчета времени когерентности спектральных суперконтинуумов, генерируемых в областях нормальной, нулевой и аномальной групповых дисперсий кварцевого оптического волокна. Продемонстрировано, что при увеличении центральной длины волны входного импульса время когерентности тког генерируемого в нелинейной среде спектрального суперконтинуума значительно уменьшается, однако, в области нулевой групповой дисперсии кварцевого стекла наблюдается увеличение тког. Так, для длительности исходного импульса 40 фс и пиковой интенсивности / =10 Вт/см", на длине волны 800 нм тког = 22 фс, при увеличении длины волны тког падает до 4 фс на длине волны 1180 нм. В области нулевой групповой дисперсии тк01 резко увеличивается до 20 фс, после чего опять уменьшается, достигая минимума в 4 фс на длине волны 1560 нм.

Третья глава посвящена обоснованию способа формирования последовательности сверхкоротких световых импульсов в результате интерференции двух фазовомодулированных импульсов, при временном сдвиге между ними, меньшем их длительности.

В §3.1 проиллюстрированы результаты численного моделирования интерференции двух спектральных суперконтинуумов, сгенерированных в области нормальной групповой дисперсии кварцевого стекла, при временном сдвиге между ними, меньшем их длительности, для различных интенсивностей входных импульсов. Показано, что результатом интерференции является последовательность импульсов, которой соответствует квазидискретный спектральный суперконтинуум. Показано, что количество фемтосекундных субимпульсов в последовательности увеличивается с увеличением коэффициента фазовой модуляции и временной задержки между интерферирующими импульсами.

В §3.2 приведено теоретическое обоснование формирования последовательности сверхкоротких световых субимпульсов при интерференции двух фемтосекундных спектральных суперконтинуумов.

В §3.3 представлены экспериментальные результаты интерференции двух фазовомодулированных импульсов при временном сдвиге между интерферирующими импульсами, меньшем их длительности. Экспериментально показано, что в результате интерференции формируется последовательность субимпульсов с терагерцовой частотой повторения.

В §3.4 описан самореферентный способ измерения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкоротких оптических импульсов.

Четвертая глава посвящена разработке и созданию оптической системы сверхбыстрой передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом.

В §4.1 описан физический принцип оптической сверхбыстрой передачи информации в одном квазидискретном спектральном суперконтинууме.

В §4.2 продемонстрирована экспериментальная реализация оптической записи и передачи 45 бит информации одним квазидискретным спектральным суперконтинуумом.

В §4.3 приведены принципиальная и функциональная схемы экспериментального макета оптической системы сверхбыстрой передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом. Функциональная схема мобильного образца оптической системы сверхбыстрой передачи информации квазидискретным спектральным суперконтинуумом содержит источник фемтосекундного спектрального суперконтинуума, интерферометр Майкельсона, систему кодировки информации, оптическую линию связи и систему регистрации переданной информации.

В §4.4 описан экспериментальный макет оптической системы сверхбыстрой передачи информации парами интерферирующих спектральных суперконтинуумов. Был создан и представлен экспериментальный макет, работающий в диапазоне длин волн от 1310 нм до 1610 нм, передающий информацию квазидискретным спектральным суперконтинуумом с 16 спектральными линиями шириной 20 нм и обладающий скоростью передачи информации в двоичной системе 1,12 Гбит/с, при частоте повторения следования спектральных суперконтинуум�