ВКР-усиление в кварцевом волокне

Стокс-антистоксовое ВКР
усиление сигналов в
кварцевом волокне
Н. С. Макаров,
гр. 538
научный
руководитель:
к. ф.-м. н.
В. Г. Беспалов
План
•Основная цель
•Принцип фазового квазисинхронизма
•Системы уравнений ВКР
•Свойства фазового квазисинхронизма
•Результаты численного моделирования
•Выводы
•Список литературы
2
EDFA-усиление
- Необходимо
обеспечивать
усиление с
погрешностью
не более  5
дБ во всей
спектральной
полосе
усилителя.
3
ВКР-усиление в кварцевом волокне
- При
pump=1480
нм, за счет
широкой
полосы
ВКРусиления
stokes=1550
- 1580 нм.
4
Совместное EDFA и
стоксовое ВКР-усиление
- Сглаживание
кривой усиления
возможно при
совместном
использовании
EDFA и ВКРусиления на
стоксовой
частоте.
Для создания нового окна усиления в районе 1310 нм мы
предлагаем использовать одновременное стоксовое и антистоксовое
5
ВКР-усиление в условии фазового квазисинхронизма
Принцип фазового
квазисинхронизма
Нелинейность (2)
Нелинейность (3)
ВКР-активная среда
6
Принцип фазового
квазисинхронизма ВКР
- Обобщенная фаза
(3)0
(3)=0
=2p-a-s-(ka+ks-2kp)r,
где ki – волновые векторы
взаимодействующих волн,
описывающая направление
перекачки энергии “накачка –
Стокс – анти-Стокс”, на входе
в пассивные слои (0, 2) и
на выходе из них (1, 3)
практически не изменяется,
что в конечном итоге
приводит к реализации
фазового квазисинхронизма. 7
Система уравнений
для стационарного ВКР
 – волновая
расстройка, g –
коэффициент
стационарного ВКРусиления, i – частоты
взаимодействующих
волн, T2 – время
дефазировки
молекулярных
В системе волновая расстройка и
колебаний, q –
коэффициент стационарного ВКР-усиления
фононная волна, Aj –
являются функциями от координаты для
комплексные
активных ((3)0) и пассивных ((3)=0)
амплитуды волн. 8
слоев.
Оптимальные
входные интенсивности волн
- Существует
оптимальное соотношение
входных интенсивностей
волн Стокса и накачки.
- Эта зависимость
может быть
аппроксимирована
формулой
Is/Ip,opt=0,1359g-2,6146.
9
Сравнение
эффективностей преобразований
Водород
 = 3.84 рад/см
g = 3.0 см/ГВт
1 - фазовый
квазисинхронизм
2 - отсутствие
(квази)синхронизма
3 - фазовый
синхронизм.
- Эффективность преобразования при фазовом
квазисинхронизме ниже, чем при фазовом синхронизме и
выше, чем при простой фокусировке в активную среду.
10
Критические
интенсивности волны накачки
- Существует
критическое
значение
интенсивности
волны накачки.
- Эта зависимость
может быть
аппроксимирована
формулой
Icr.p=0.4Δ/g.
11
ВКР в кварцевом волокне
- Для усиления в
- Структура является
обоих окнах можно
использовать
одновременное
усиление
стоксового и
антистоксового
излучения при
условии фазового
квазисинхронизма.
квазипериодической.
12
Одновременное
стоксовое и антистоксовое усиление
- Усиление на
стоксовой и
антистоксовой
частотах дает
пики усиления
на длинах
волн 1389 и
1583 нм.
13
Аналитическая модель
фазового квазисинхронизма при ВКР
( opt , j 1)
lact

arccos 



E (p j 1)

I a( j )
I s( j )



opt , j 1)
l (pass

g p
( j)
E p exp[ 2 
s
(s j 1/ 2 )  (a j 1/ 2 )  2(pj 1/ 2 )  
2  pass
( opt , j 1)
( I a( j )  I s( j ) )lact
]
g a ( j ) ( opt , j 1)
g a ( j ) ( opt , j 1)
( j )  2 s I p lact
( j )*  2 s I p lact
 [ Ea e
 E s (e

g a ( j ) 2 g a
( j)
(
I
)


I
( opt , j 1)
( opt , j 1)
p i 2i ( k a  k p )l pass
2 s
il act
 2 s p
e
)
]e

g
2  ( 2 a I (p j ) ) 2
s
Ea( j 1)
14
Аналитическая модель
фазового квазисинхронизма при ВКР
( j 1)
E2 s
g 2 s
[2 
s
 E (p j ) Es( j )
(e
( j )* ( j ) 2
E p Es
( opt , j 1)
il act
(    1 )
   1
 1
 1)i

 1)i

g 2 s
2 s
( j )*
Ea 
( opt , j 1)
( j ) 2i ( k 2 s  k p )l pass
E2 s ]e
( opt , j 1)
I p( 0 )lact
( j)
( j )*
 [ Es e
 Ea (e

g ( j) 2
g
( j)
( opt , j 1)
2
( opt , j 1)
(
I
)


I
i
(
k

k
)
l
p
il act
 2 p
2
s
p
pass
i
e
)
]
e
2  ( g2 I (p j ) ) 2
Es( j 1)
g
2
( opt , j 1)
I p( 0 )lact
(e
( opt , j 1)
il act
 1
g
2
Ускорение
вычислений
при
сохранении их
точности
составляет
~120 раз
15
Учет затухания волн
в кварцевом волокне
- При коэффициенте
затухания ~0.3 дБ/км
(характерная величина
для сегодняшних
оптических волокон)
усиление достигается
практически во всей
среде.

5
I a( j )
arccos( ( j ) )
Is
lg(1 
g as I p( j )

I s( j )
I a( j )
 1)
1 - область затухания,
2 - область усиления
16
Выводы
•Стокс-антистоксовое ВКР-усиление позволяет сгладить кривую усиления
EDFA и создать новое окно усиления в районе 1310 нм, особенно при
использовании накачки на нескольких длинах волн.
•При фиксированном отношении входных интенсивностей стоксовой и
антистоксовой волн длины слоев не зависят от входных интенсивностей волн.
•Сформулирована новая аналитическая модель вынужденного
комбинационного рассеяния в условии фазового квазисинхронизма в
оптических волокнах. Получены рекуррентные соотношения для определения
оптимальных длин активных и пассивных слоев и амплитуд
взаимодействующих волн.
•Численное моделирование показало существенное увеличение скорости
расчетов по сравнению с ранее применявшимся подходом при сохранении
точности.
•Результаты проведенного исследования могут быть использованы для
создания новых эффективных оптических волоконных усилителей. 17
Список литературы
•G. Randy, L. I. Tingyc, "Optical amplifiers transform long distance
lightvoice telecommunications", Proc. IEEE, 84, pp. 870-883, 1996.
•P. Urquhart, "Review of rare-earth-doped fiber lasers amplifiers", IEE
Proc, 6, 385-407, 1988.
•M. H. Ahmed, M. Shalaby, F. M. Misk, "Combined erbium and Raman
amplification at 1.55 m in submarine links using backward pumping at
1.48 m", Pure Appl. Opt., 7, 659-666, 1998.
•V. G. Bespalov, N. S. Makarov, "Quasi-phase matching anti-Stokes SRS
generation", Proc. SPIE, vol. 4268, 2001, pp. 109-116.
•J. J. Ottusch, M. S. Mangir, D. A. Rockwell, "Efficient anti-Stokes
Raman conversion by four-wave mixing in gases", J. Opt. Soc. Am., 8,
pp. 68-77, 1991.
18