Politechnika SzczeciNska Instytut Fizyki Dr Grzegorz Leniec Solitony optyczne i ich zastosowanie w telekomunikacji

Zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się światła w nieliniowych mediach: Tłumienność Nieliniowość Dyspersja

Powody tłumienności SiO2 : Fluktuacje gęstości materiału (rozpraszanie Rayleigh’a) Silna absorpcja w podczerwieni i nadfiolecie (pc –częstotliwość rezonansowa atomów krzemu i tlenu 9μm; nf – fotony wybijają elektrony do pasma przewodnictwa 0,2μm) Zanieczyszczenia jonami OH- (druga harmoniczna drgań tego jonu odpowiada długości 1,38μm) 0,85 μm; 1,31μm; 1,55μm

Zjawisko nieliniowości Szkło kwarcowe wykazuje słabą nieliniowość optyczną. Współczynnik załamania zależy od natężenia światła (wprost proporcjonalnie). Zjawisko to powoduje, że w miejscu dużego natężenia impulsu współczynnik załamania wzrasta, zatem prędkość fali maleje, a częstotliwość impulsu ulega zróżnicowaniu: przednia część impulsu doznaje zmniejszenia częstotliwości, a tylna zwiększenia częstotliwości.

Zjawisko dyspersji Rozróżniamy dwa rodzaje dyspersji: normalna – fale o większej częstotliwości poruszają się wolniej niż fale o częstotliwości mniejszej, anomalna – fale o większej częstotliwości poruszają się szybciej niż fale o częstotliwości mniejszej. Zero dyspersji występuje dla długości fali 1,31μm. Krótkie impulsy mają szerokie widmo. Zero dyspersji występuje tylko dla częstotliwości nośnej.

Solitony W pewnych warunkach zjawiska nieliniowości i dyspersji mogą się wzajemnie kompensować. nieliniowość – odpowiednia moc impulsu, dyspersja – musi zwalniać czoło impulsu o zmniejszonej częstotliwości, czyli dyspersja anomalna powyżej długości fali 1,31μm.

John Scott Russell Ponad 158 lat temu, kiedy prowadził eksperymenty mające określić najbardziej skuteczne projektowanie kanału dla łodzi. Młody szkocki inżynier John Scott Russell (1808-1882) dokonał nadzwyczajnego naukowego odkrycia. Opisał to "Sprawozdaniu on the wave": (Sprawozdanie czternastego spotkania brytyjskiego Stowarzyszenia Rozwoju Nauki, Jork, wrzesień 1844 (Londyn 1845), pp 311-390, Plates XLVII-LVII).

„Obserwowałem ruch łodzi, którą ciągnęły szybko w wysokim kanale konie, gdy nagle się zatrzymały; wprowadzona w ruch masa wody zgromadziła się wokół dzioba łodzi w stanie zburzonym, wtedy niespodziewanie potoczyła się z dużą prędkością w postaci dużego pojedynczego wzniesienia: okrągły, gładki, wyraźny garb wodny poruszał się w kanale, bez widocznej zmiany kształtu i zmniejszenia prędkości. Pojechałem za nim i dogoniłem, gdy jeszcze się poruszał z prędkością około 8 lub 9 mil na godzinę, zachowując początkowy kształt jakieś 30 stóp długości i około półtorej stopy wysokości. Jego wysokość stopniowo się zmniejszała i po przejechaniu za nim jednej lub dwóch mili zgubiłem go przy ujściu kanału. Tak w sierpniu 1834r. nastąpiło moje pierwsze przypadkowe spotkanie z tym niezwykłym, przepięknym zjawiskiem ...”

Fala nawodna w kanale w kształcie solitonu Rok Naukowcy Odkrycie 1834 John Scott Russell Fala nawodna w kanale w kształcie solitonu 1910 Hondros i Debye Teoria światłowodu kołowego 1950 Van Heel zastosowanie płaszcza do rdzenia światłowodu ~1960 Transmisje światłowodowe (1kdb/km) ~1970 Kao i Hockama Światłowód o tłumienności 20db/km 1973 Hasegawa i Tappert Wykazali że światłowód może prowadzić impulsy solitonowe 1980 Mollenauer, Stolen i Gordon Próbne transmisje solitonowe

Nieliniowe równanie Schrödingera Do opisu fal świetlnych używa się Nieliniowego Równania Schrödingera (NLS) wyprowadzonego z fenomenologicznych równań Maxwella. Równania Maxwella Nieliniowe równanie Schrödingera gdzie ά- tłumienność, β2– dyspersja, γ- nieliniowość.

Rozwiązanie nieliniowego równania Schrödingera Po dokonaniu normalizacji  gdzie N jest rzędem solitonu definiowanym 

Rezultaty eksperymentów w światłowodzie Rezultaty eksperymentów w światłowodzie. (a) Kształtu impulsu z lasera solitonowego przy wprowadzeniu do światłowodu. (b)-(e) Kształty impulsów dla różnych wartości mocy wejściowych (b) P=0,3W przy niskim poziomie mocy można zauważyć brak efektu nieliniowości, jedynie wpływ efektu dyspersji, (c) P=1,2W podstawowy impuls solitonowy, (d) P=5,0W impuls osiąga minimum swojej szerokości czyli zachowanie odpowiadające solitonom N=3 dla 0,5 okresu solitonowego, (e) P=11,4W.

Schemat lasera solitonowego wraz z pętlą stabilizacji Schemat lasera solitonowego wraz z pętlą stabilizacji. Strumień dzieli się na półzwierciadle S o współczynniku odbicia 30-50% , łączy rezonator kontrolny z rezonatorem głównym. .

Okresowość solitonów

Oddziaływanie między solitonami Kolizje solitonów Na rysunku przestawione zostało przyciąganie solitonów. Odległość między solitonami zmienia się okresowo. Solitony zlewają się na przemian i orbitują wokół wspólnego środka. Na rysunku przedstawione zostało odpychanie impulsów solitonowych. Impulsy oddalają się do momentu braku oddziaływania sił. Eksperymentalnie potwierdzona odległość miedzy nie oddziałującymi impulsami 5-krotna szerokość impulsu.

(a) Propagacja impulsów w światłowodzie z zachowaniem separacji impulsów. (b) Okno detekcji i odpowiadające prawdopodobieństwo gęstości impulsów dla błędów rzędu .

Soliton based Optical Communication are at development stage Soliton based Optical Communication are at development stage. More then 1 Tb/s (1012bit/s) transmission has been achieved over several thousand km of distance. There are several start up companies who are developing soliton transmission systems i.e., Algety, Solistis and PhotonEx. Soliton can upgrade old single mode fiber systems from 2.5 Gb/s to 1 Tb/s. Some Recent Achievements: In Time Divsion Multiplexing (TDM): 40Gbit/s transmission over 10,000km in dispersion managed system (by KDD in 1998) 100Gbit/s transmission over 1,000km in densely dispersion managed system (by Nortel in 1999) In Wavelength Division Multipleing (WDM): 1Tbit/s (20Gbit/s x 50Channels) transmission over 1,000km in dispersion managed standard fibers (by Algety in 1998) 1.1 Tbit/s (20Gbit/s x 55Channels) transmission over 3,000km in dispersion managed system (by Japanese STAR Consortium in 1999) 270Gbit/s (10Gbit/s x 27Channels) transmission over 9,000km in dispersion managed system (by Bell Laboratories in 2000)

Following models are available: Thales Laser now offers a compact and industrial femto second laser source with its model Concerto. The system is seeded by a fiber laser (IMRA Femtolite) and is totally diode pumped. The fiber seed laser guarantees high reliability and an excellent beam quality from the regenerative Ti:Sapphire amplifier. Important adjustable elements are motorized and can be controlled by the user via control panel or PC. The Concerto provides a high average output power of 1.5 W at 150 fs. Following models are available: Wavelength 780-800nm Pulselength 80-150 fs Power 1.5 W Repetition rate 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz or 5 kHz Pulse energy 1.5 mJ, 750 µJ, 500 µJ or 300µJ