|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Солитон оптический |
 | |
Анимация
0
Описание
В зависимости от характера нелинейного взаимодействия излучения с веществом солитонные эффекты в оптике разделяют на резонансные и нерезонансные.
В нерезонансных средах оптические солитоны (ОС) образуются вследствие баланса двух конкурирующих процессов - дисперсионного расплывания и нелинейного самосжатия (см. также описание эффекта "Солитон, общий случай").
Самосжатие (самовоздействие) оптических импульсов обусловлено нелинейной добавкой к показателю преломления:
dn = n2·Ieff,
где эффективное значение интенсивности Ieff = P0/ Seff определяется отношением пиковой мощности импульса P0 к эффективной площади моды Seff;
n2 - коэффициент нелинейности (в кварцевых световодах n2 = 3,2·10-16 см2/Вт)
При распространении импульса на расстояние z его вершина приобретает дополнительный фазовый набег:
dj = k·n2·Ieff ·z,
где k - волновое число;
и, следовательно, зависящую от времени добавку к несущей частоте:
dw = ∂(dj)/∂t.
Таким образом, в результате фазовой самомодуляции нарастает несущая частота от фронта импульса к его хвосту, т.е. происходит частотная модуляция, скорость которой
aps = ∂(dw)/∂t
можно оценить как:
aps ~ k·n2·Ieff ·z/2t2,
где t - длительность импульса.
Дисперсионное расплывание импульса возникает вследствие дисперсии групповой скорости, которая характеризуется величиной:
kz = ∂2k/∂w2.
Спектрально-ограниченный импульс приобретает частотную модуляцию, скорость которой ad зависит от пройденного расстояния z:
ad = 2zkz-1/(z2 + Ld2),
где Ld = t02/ЅkzЅ - дисперсионная длина.
В спектральном диапазоне, соответствующем аномальной дисперсии групповой скорости (kz < 0, l > 1,3 мкм), частота импульса уменьшается от фронта к хвосту.
Из условия баланса конкурирующих процессов ad + aps = 0 при прохождении импульсом расстояния z << Ld можно оценить критическую мощность, при которой формируется ОС:
Pcr = kz·Seff /(k·n2·t02).
Основой для математического описания процессов формирования и взаимодействия ОС пикосекундного диапазона длительностей является нелинейное уравнение Шредингера (НУШ). Огибающая солитонного импульса имеет вид:
q(x, t) = sech(t)·exp(-ix /2),
где x - расстояние, нормированное на дисперсионную длину Ld;
t = (t - z/u)/t02 - бегущее время, нормированное на начальную длительность импульса;
u - групповая скорость.
Важным классом аналитически вычисляемых решений НУШ являются N-солитонные импульсы, соответствующие начальным условиям вида:
q(0, t) = N·sech(t),
где N - целое число.
Они представляют собой нелинейную суперпозицию N движущихся с одинаковой скоростью ОС с амплитудами:
qm = (2m - 1),
где m = 1, 2, …, N.
Особенностью N-солитонных импульсов является то, что их распространение начинается с самосжатия (рис. 1), а модуль комплексной амплитуды периодичен по x с периодом p/2.
Самосжатие N-солитонного импульса при нерезонансном взаимодействии в волоконном световоде (N=4)
Рис. 1
Закономерности формирования и распространения односолитонных и N-солитонных импульсов подтверждены экспериментально (Л.Молленауэр, Р.Столтен и др.).
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Успешные эксперименты с ОС стимулировали их применение в волоконно-оптической связи для сверхскоростной передачи информации. Ограничения на скорость передачи информации посредством ОС вызваны тем, что сам импульс нельзя сделать слишком коротким и что между импульсами должен быть достаточный интервал. Согласно расчетам, минимальная длина импульсов составляет ~ 1 пс ( 10 -12 с). Если отправлять импульсы не чаще, чем через ~ 10 пс, то 1 бит информации можно передавать за 10 пс, т.е. скорость передачи информации составит ~ 1011 бит /ч или 100 Гигабит /c. Этот показатель примерно в 100 раз лучше, чем в обычной волоконной связи.
К настоящему времени реализована передача ОС на расстояния более 4000 км без существенного искажения их формы.
Реализации эффекта
Одномодовые волоконные световоды
Наиболее благоприятные условия для формирования ОС реализуются в одномодовых волоконных световодах благодаря предельно малым оптическим потерям: ~ 0.2 дБ/км при длине волны излучения 1.55 мкм) и устойчивости модовой структуры излучения при возрастании входной мощности вплоть до значений, близких к порогу самофокусировки.
Литература
1. Физическая энциклопедия. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. - Т.4.
2. Филиппов А.Т. Многоликий солитон. - М.: Наука, 1990.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |