Оптическое волокно

 

Изобретение относится к оптическим волокнам, легированным резонансными веществами для видоизменения характеристик проходящих по нему ультракоротких импульсов света. Сущность изобретения: в оптическом волокне добавки резонансного вещества распределены с образованием поперечного профиля концентрации резонансных добавок, вид которого определяется формулой: где n₀ - показатель преломления на оси волновода; Δn - относительная разность показателей преломления в сердцевине волновода; δ - расстройка несущей частоты импульса от центра линии поглощения; ΔΩ - полуширина неоднородно-уширенной спектральной линии поглощения; с - скорость в вакууме; τ₀ - минимальное значение длительности импульса; I = I(ρ) - поперечный профиль интенсивности в пике; I₀ - максимальное значение интенсивности импульса; ρ=r/r₀ - поперечная координата r, нормирования на радиус сердцевины r_o.

Изобретение относится к оптическим устройствам, в частности к оптическим волокнам, содержащим легирующие резонансные вещества для видоизменения характеристик проходящего по нему излучения в виде ультракоротких импульсов света.

Известно оптическое волокно для волоконного усилителя оптической линии телесвязи в диапазоне длин волн 1520-1570 нм, легированное ионами трехвалентных эрбия, алюминия и самария (патент РФ N 2015125, C 03 C 13/04, опубл. 29.10.90).

Недостатком этого оптического волокна является то, что оно не приспособлено формировать желаемый поперечный профиль интенсивности проходящего по нему излучения. В отсутствие внешней накачки оптического волокна трехвалентные ионы выполняют роль резонансного поглощающего вещества, и волокно теряет способность стабилизировать ультракороткий импульс света при условии, что радиус пучка и концентрация резонансных ионов удовлетворяют соотношению L_ab≅L_d, где L_ab длина поглощения и L_d дифракционная длина.

Наиболее близким к предлагаемому оптическому волокну является оптическое волокно, легированное ионами эрбия, в котором сформирован поперечный профиль показателя преломления (Nakazawa M. Kimura Y. Kurokawa K. Suzuki K. Phys. Rev. A, 1992, 45, R23). В этом оптическом волокне осуществлена стабилизация структуры пучка ультракороткого импульса света. При этом стабилизация получена за счет использования волноведущих свойств поперечного профиля показателя преломления, так как длина поглощения L_ab много больше дифракционной длины L_d: L_ab>L_d. Это неравенство определяет преимущественную роль профиля показателя преломления в формировании поперечной структуры пучка, то есть искажения формы поля, вносимые резонансное средой, эффективно подавляются за счет жесткого сохранения формы волноводной моды. Форма волноводной моды определяется геометрическими параметрами волновода без легирующих добавок. Недостаток этого оптического волокна заключается в невозможности получения стабильного распространения ультракороткого импульса при длинах поглощения резонансного вещества, близких и/или меньших дифракционной длины, L_ab≅L_d, что имеет место, в частности, для больших концентраций резонансного вещества и/или многомодовых оптических волноводов, и в нем не может быть сформирован заданный поперечный профиль поля.

В основу изобретения положена разработка легированного добавками резонансного вещества оптического волокна, в котором использование нелинейных характеристик резонансного вещества при условии L_ab≅L_d вместо применяемых в обычных оптических волокнах волноведущих свойств профиля показателя преломления позволит стабилизировать распространение ультракороткого импульса света с желаемым поперечным профилем интенсивности на расстояния, значительно превышающие предел L>15-20L_ab (L длина легированного оптического волокна), который достигнут при использовании однородных в поперечном направлении сред.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в оптическом волокне добавки резонансного вещества распределены с образованием поперечного профиля концентрации резонансных добавок, определяемого формулой: где n₀ показатель преломления на оси волновода; Δn относительная разность показателей преломления в сердцевине волновода; δ расстройка несущей частоты импульса от центра линии поглощения; DW полуширина неоднородно-уширенной спектральной линии поглощения; с скорость света в вакууме; t₀ минимальное значение длительности импульса (для импульса, имеющего форму колокольчика в поперечнике, τ₀ должно выбираться равным значению длительности на оси волокна);
I I(ρ) поперечный профиль интенсивности в пике, то есть во временном максимуме импульса;
I₀ максимальное значение интенсивности импульса (для импульса, имеющего форму колокольчика в поперечнике, I₀ должно выбираться равным значению интенсивности на оси волокна: I₀ I(ρ 0);
r r/r₀ поперечная координата r, нормированная на радиус сердцевины r_o.

Распределение добавок резонансных веществ в соответствии с предложенной формулой позволяет стабилизировать ультракороткий импульс и сформировать желаемый поперечный профиль интенсивности в том случае, когда имеет место следующее отношение между дифракционной длиной L_D и длиной поглощения L_ab: L_ab≅L_d. Для этого нужно задать желаемую форму интенсивности I(^r) в пике импульса и, подставив в формулу, получить закон распределения легированных резонансных добавок F (r).

Приведенная форма поперечного профиля концентрации резонансных добавок, определяемая вышеуказанной формулой, позволяет осуществлять управление поперечным профилем пучка с помощью изменения профиля показателя преломления нерезонансных атомов одновременно с изменением профиля концентрации резонансных атомов. Особенность предлагаемого оптического волокна состоит в том, что оно может не иметь профиля показателя преломления, в то время как профиль концентрации резонансных атомов обеспечить необходимо. Этим предлагаемое оптическое волокно принципиально отличается от обычно используемых оптических волокон, необходимым атрибутом которых является наличие профиля показателя преломления. Именно это принципиальное отличие позволяет получить оптическое волокно с новыми свойствами, обеспечивающими возможность формирования желаемого поперечного профиля интенсивности ультракороткого импульса света и передачи этого сигнала на достаточно большое расстояние.

Работу предлагаемого оптического волокна можно пояснить следующим образом. Сначала обратимся к описанию общих принципов взаимодействия оптического излучения с резонансным поглощающим веществом. На вход оптического волокна подается импульс излучения, несущая частота которого находится в непосредственной близости к выбранному оптическому переходу, так что выполняются условия резонансного взаимодействия между импульсом и легирующим поглощающим веществом (например, трехвалентными ионами редких земель). При распространении по такому оптическому волокну длинных малоинтенсивных импульсов их энергия экспоненциально убывает и, пройдя расстояние L ≈ 2-3 L_ab, импульс фактически полностью поглотится.

Качественно иное поведение обнаруживается, если на вход оптического волокна подается импульс малой длительности (его длительность должна быть много меньшей времен релаксации обоих резонансных уровней и времени релаксации поляризации такой импульс является ультракоротким импульсом) и достаточно большой интенсивности так, чтобы площадь под огибающей, вводимая по формуле

удовлетворяла соотношению: ν > π. Тогда после кратковременного переходного процесса (расстояние L ≈ 2-3 L_ab) импульс, потеряв малую часть энергии (≈ 10%), трансформируется в устойчивую структуру, получившую название солитона самоиндуцированной прозрачности. Далее этот солитон самоиндуцированной прозрачности будет распространяться по оптическому волокну без изменения формы и без потери энергии на произвольно большие расстояния.

Физический механизм, ответственный за формирование солитонов самоиндуцированной прозрачности, носит ярко выраженный нелинейный пороговый характер: войдя в поглощающую среду, его передний фронт возбуждает атомы, переводя их с нижнего энергетического уровня на верхний; задний фронт импульса инициирует вынужденное излучение с верхнего энергетического уровня и, тем самым, возвращает энергию обратно в поле импульса. Основное свойство солитона самоиндуцированной прозрачности в том, что эти два процесса полностью уравновешивают друг друга, и после прохода солитона самоиндуцированной прозрачности поглощающая среда остается в основном энергетическом состоянии, и, следовательно, потерь энергии поля не происходит. Такая картина распространения солитона предполагает, что его длительность много короче всех времен релаксации, так что за время нахождения атомов в верхнем возбужденном состоянии диссипативные процессы не успевают сработать.

Естественное ограничение на длину трассы распространения в реальных оптических волокнах связано с неизбежными потерями энергии за счет механизмов различной природы: волноводными потерями, некогерентными потерями за счет релаксационных процессов в резонансной среде и т.п.

Приведенное описание ограничено рассмотрением одномерных (то есть неограниченных в поперечном направлении) солитонов, форма которых зависит от продольной координаты z и времени t. Известно также, что при практическом использовании когерентных свойств резонансного вещества требуется учитывать вид поперечной структуры поля, так как любой реальный импульс ограничен в поперечном направлении. Оказывается, что при учете ограниченности пучка в поперечном направлении, распространение солитона самоиндуцированной прозрачности в однородных (то есть не обладающих волноведующими свойствами) резонансных средах сопровождается неконтролируемым изменением поперечной и временной структуры поля благодаря действию механизма дифракционной неустойчивости. Причем, пройдя в среде расстояние L ≈ 15-20 L_ab, пространственная и временная формы импульса непредсказуемо изменяются, его энергия поглощается, и в конечном итоге импульс полностью распадается. Физический механизм распада связан с различием скоростей распространения различных частей пучка так, если импульс имеет в поперечном направлении колоколообразную форму с максимумом на оси, то приосевая часть пучка будет двигаться с большей скоростью, чем периферийная, что в конце концов приведет к "расплыванию" импульса. На практике эта простейшая картина распада осложняется существующими всегда случайными искажениями поля, которые могут усиливаться по мере распространения и вносить существенный вклад в искажение формы импульса и, следовательно, ускорять его распад.

Предлагаемое оптическое волокно предназначено стабилизировать солитон самоиндуцированной прозрачности, что позволит достигать длины распространения не меньшей L ≈ 100-200 L_ab, которая теперь ограничена только слабыми диссипативными процессами в оптических волокнах. Физически механизм подавления дифракционной неустойчивости основывается на выравнивании скоростей распространения всех частей пучка. Рассмотрим для примера солитон самоиндуцированной прозрачности, имеющий поперечное распределение интенсивности в виде гауссовой функции. Нелинейный характер взаимодействия импульса со средой определяет скорость распространения импульса, которая падает с ростом амплитуды поля и с ростом концентрации поглощающих атомов (ионов). Использовавшиеся до сих пор среды подготавливались с однородным распределением атомов (ионов) в поперечнике так, что периферия импульса имела меньшую амплитуду и, как следствие, распространялась с меньшей скоростью. Предлагается плавно уменьшать плотность поглощающих атомов (ионов) в оптическом волокне по мере удаления от оси, так чтобы увеличить скорость периферийной части. Таким образом, выравнивается скорость во всех частях пучка, и импульс движется теперь как единое целое. Фактически, предложено волокно, в котором профиль концентрации резонансных добавок использован в качестве волноведущей среды для солитона самоиндуцированной прозрачности. Описанная физическая картина основывается на доминирующей роли нелинейных процессов в формировании поперечного профиля пучка. Именно это свойство принципиально отличает описанное оптическое волокно от существующих обычных оптических волокон, основанных на использовании волноведущих свойств профиля нерезонансного показателя преломления.

Из вышесказанного следует ограничение на пределы применимости изложенного способа: L_ab≅ L_d, то есть когда нелинейные резонансные взаимодействия могут проявлятся достаточно сильно. Также из принципа действия предложенного оптического волокна непосредственно следует, что варьируя поперечный профиль легирующих добавок, мы диктуем тот единственный профиль интенсивности, для которого скорости распространения всех частей пучка в поперечнике одинаковы. Таким образом, оптическое волокно действует как устройство, задающее поперечный профиль пучка, который может быть изменен по желанию с помощью подбора нужного профиля легирующих добавок.

Предлагаемое оптическое волокно, которое позволяет формировать солитоны самоиндуцированной прозрачности, может найти применение в волоконно-оптических линиях связи. Их преимущество заключается в сохранении формы по мере распространения в оптическом волокне. Резонансная среда, в которой формируется солитон самоиндуцированной прозрачности, служит естественным фильтром, отсеивающим шумы излучения, и тем самым предотвращающим нежелательные сбои в работе аппаратуры. Таким образом, предлагаемое оптическое волокно позволяет увеличить эффективность передачи информации в волоконно-оптических линиях связи. Применение описанного оптического волокна на основе многомодовых волокон с сердцевиной диаметром 200-100 мкм позволяет достаточно просто обеспечить требуемый профиль концентрации резонансного вещества, которое может вводится в волокно, например, методом "легирования раствором", хорошо известным в данной области техники, либо другими хорошо известными методами в соответствии со специфическими потребностями. Такое многомодовое оптическое волокно может эффективно использоваться для стабилизации и формирования импульсов высокой энергии.

В качестве примера рассмотрим многомодовое волокно диаметром 300 мкм. Эрбий, содержащийся в волокне в виде окиси (Er₂O₃), составляет 9 частей на тысячу (по весу); и длина поглощения составляет L_ab 3.6·10^-2 м на частоте, соответствующей резонансному переходу между уровнями ⁴I_15/2 и ⁴I_13/2. В качестве источника импульсов может быть использован лазер на эрбиевом стекле (или любой другой источник импульсов с длиной волны генерации 1.53 мкм), дающий на выходе импульсы длительностью 300 пксек; таким образом обеспечивается резонансность взаимодействия с исследуемым волокном. Чтобы обеспечить когерентность взаимодействия с резонансным веществом волновода, следует охладить исследуемый волновод до 4.2К (что можно сделать с помощью криогенной системы), так что все времена релаксации становятся по крайней мере на порядок больше длительности импульса. Показатель преломления на оси волновода n₀ 1.7. Относительная разность показателей преломления в сердцевине волновода Dn 0.05. Резонансная линия уширена неоднородно, причем полуширина спектрального контура составляет величину, равную ΔΩ ≈ 1.4·10¹²сек^-1. Чтобы получить поперечное распределение интенсивности, описываемое законом Гаусса, I=I₀exp(-ρ²), нужно создать поперечный профиль концентрации, описываемый законом:
F(ρ)=[1-1,6·10^-2·ρ²]·exp(-ρ²/2)

Формула изобретения

Оптическое волокно, содержащее сердцевину с добавками резонансного вещества, отличающееся тем, что добавки резонансного вещества распределены с образованием поперечного профиля концентрации резонансных добавок, определяемого формулой

где n_о показатель преломления на оси волокна;
Δn - относительная разность показателей преломления в сердцевине волокна;
δ - расстройка несущей частоты передаваемого по волокну импульса от центра линии поглощения;
ΔΩ - полуширина неоднородно-уширенной спектральной линии поглощения;
τ - длительность передаваемого по волокну импульса;
c скорость света в вакууме;
τ₀ - минимальное значение длительности передаваемого по волокну импульса;
I = I(ρ) - поперечный профиль интенсивности передаваемого по волокну импульса в пике;
I₀ максимальное значение интенсивности передаваемого по волокну импульса;
ρ = r/r₀ - поперечная координата r, нормированная на радиус сердцевины r₀.