книги / Нелинейные эффекты в волоконной оптике

активную среду через их стенки. Особенностью технологии является возможность ввода излучения накачки через оба торца каждого из волноводов накачки. По такой технологии можно получить выходную мощность порядка 100 Вт.

Рис. 109. Схема накачки волоконного лазера с двойным покрытием

В последние годы наблюдается стремительное развитие волоконных лазеров. Объем рынка волоконных лазеров составлял в 2007 г. 240 млн долларов США, а за 5 лет ожидается его удвоение. Особенно большие успехи достигнуты в создании мощных непрерывных волоконных Yb-лазеров, широко применяемых при обработке материалов (сварка, резка, сверление). По сравнению с мощными газовыми СО2-лазерами, которые традиционно используются для этой цели, волоконные лазеры при той же мощности обеспечивают более высокие качество и скорость обработки. Динамика роста мощности непрерывных волоконных лазеров показана на рис. 110.

Рис. 110. Рост максимальной выходной мощности непрерывных волоконных лазеров

191

Волоконные лазеры превосходят другие типы лазеров практически по всем существенным параметрам, важным с точки зрения их промышленного использования. Линейка мощных и сверхмощных промышленных волоконных лазеров включает в себя модели от 100 Вт до десятков кВт (рис. 111).

Рис. 111. Промышленные волоконные Yb-лазеры серии ЛС мощностью (слева направо) 8 кВт, 4 кВт и 2 кВт

Волоконные световоды с низкими потерями и различным составом сердцевины позволяют эффективно преобразовывать частоту лазерного излучения с помощью вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). В таких волоконных лазерах оптическое волокно выполняет пассивную роль. Так, высоконелинейные волоконные световоды из фосфоросиликатных и германосиликатных стекол с низкими оптическими потерями стали основой семейства эффективных ВКР-лазеров, генерирующих в области длин волн 1,1–2,2 мкм при их накачке волоконным Yb-лазером. Пример конструктивного исполнения ВКР-лазера приведен на рис. 112.

Рис. 112. Волоконный ВКР-лазер

192

В волоконном лазере можно получать как одночастотную генерацию, так и генерацию сверхкоротких (фемтосекундных, пикосекундных) световых импульсов. Вопросы, относящиеся к оптике сверхкоротких (длительность менее 100 пс) импульсов, рассмотрены в подразд. 2.6. За счет применения оптических затворов, синхронизации мод и специальных методов компрессии в волоконных лазерах удается уйти от ситуации, когда атомы активной среды за время выхода излучения успевают много раз «сбросить» энергию, и добиться «выплескивания» накопленной энергии в виде очень короткого импульса огромной мощности (рис. 113).

Рис. 113. Формирование сверхкороткого выходного импульса

Большой интерес проявляется в последнее время к фемтосекундным волоконным лазерам, которые, в отличие от объемных аналогов (например, титан-сапфирового лазера), более компактны и дешевы. Волоконный лазер, генерирующий импульсы длительностью около 50 фс, помещается на ладони (рис. 114). Для микрообработки прозрачных и непрозрачных материалов (металлы и полупроводники) в настоящее время созданы промышленные фемтосекундные волоконные лазеры, генерирующие импульсы длительностью от 50 до 5000 фс с энергией в импульсе 10–6–10–4 Дж. Существующие лазеры сверхкоротких импульсов достигли длительности порядка 10 фс. Имеют место сообще-

ния о создании экспериментальных систем с аттосекундной длительностью импульса (1 ас = 10–18 с).

193

пластинка для разделения светового пучка на две равные части, В – двулучепреломляющие пластинки для перестройки длины волны лазера, L1 и L2 – микрообъективы для ввода излучения в отрезок одномодового световода, поддерживающего поляризацию.

Рис. 116. Схема солитонного лазера

При отсутствии волоконного резонатора сам лазер на центрах окраски генерирует импульсы длительностью ≥ 8 пс, перестраиваемые в диапазоне 1,4–1,6 мкм. При использовании волокна для обеспечения синхронной обратной связи длительность лазерных импульсов сокращается в зависимости от длины световода до 0,2–2 пс. Измерения показали, что импульсы имеют форму, близкую к гиперболическому секансу. Это подтверждает, что импульсы в волоконном световоде являются оптическими солитонами. Используя данный метод, можно получить импульсы длительностью до 50 фс.

2.12. Современные проблемы и перспективы развития нелинейной волоконной оптики

Уже сегодня волоконно-оптические технологии, в том числе связанные с нелинейной волоконной оптикой, определяют уровень развития таких важных сфер государственной деятельности, как экономика, образование, оборона, инфраструктура государственного управления. В литературе широко обсуждается необходимость создания нового поколения оптоволоконных систем, с одной стороны, обеспечивающих скорости передачи информации по одному волоконному световоду 50–100 Тбит/с и выше (1 Тбит = 1012 бит), а с другой – имеющих меньшее потребление энергии и более низкую стоимость.

196

Сейчас область волоконно-оптической связи вышла на качественно новый уровень. Связано это с внедрением технологий спектрального уплотнения каналов (Dense Wavelength Division Multiplexing – DWDM).

Суть ее в том, что в световоде создается не один, а несколько оптических каналов, отличающихся длиной волны, по каждому из которых передается относительно небольшой поток информации. Раньше он составлял 2,5 Гбит/с, сейчас в одном канале передаются потоки 10 Гбит/с и более (до 100 Гбит/с). И таких каналов в оптоволоконном световоде можно «нарезать» более сотни. Таким образом, благодаря технологии спектрального уплотнения каналов мы можем говорить о переходе к терабитным системам цифровой связи (рис. 117).

Рис. 117. Рост скорости передачи информации

В системах связи и передачи информации со спектральным уплотнением каналов полная скорость передачи по одному волоконному световоду

В(бит/с) = N·b(бит/с),

где N – число спектральных каналов, вводимых в один световод, b – скорость передачи информации в одном канале. Задача увеличения В может быть решена одновременным увеличением N и b.

В настоящее время чаще всего b = 10 Гбит/с, но еще в 2008 г. продемонстрированы коммерческие системы с b = 40 Гбит/с и начаты работы по созданию систем с b = 100 Гбит/с. По оценкам, уже сейчас имеются коммерческие линии со скоростью передачи информации по одному волоконному световоду В = 1…2 Тбит/с и экспериментальные

197

системы до 70 Тбит/с. Увеличение числа спектральных каналов в одной волоконной линии неизбежно приведет к расширению спектральной области передачи информации. В настоящее время в DWDM-системах используется в основном спектральная область 1530–1625 нм в соответствии с утвержденным Международным cоюзом электросвязи (ITU) частотным планом для телекоммуникационных систем (диапазоны С и L на рис. 118).

Рис. 118. Частотный план для телекоммуникационных систем

По мнению специалистов, будущие оптоволоконные системы связи будут использовать всю спектральную область 1300–1625 нм. Это, в свою очередь, потребует разработки эффективных волоконных лазеров и широкополосных волоконных усилителей, которые для спектрального диапазона 1300–1500 нм пока отсутствуют.

Другим следствием увеличения числа каналов в одном волоконном световоде является существенный рост мощности сигналов в сердцевине одномодового световода, что может привести к перекрестным помехам из-за нелинейного взаимодействия оптических сигналов (рис. 119). Отсюда вытекают ограничения в возможности мультиплексирования каналов.

Рис. 119. Спектральное размещение каналов в волокне

198

Для исключения нелинейного перекрытия спектров соседних каналов следует уменьшать скорость передачи в расчете на канал (например, переход от режима STM-64 к режиму STM-16 на рис. 119). Можно идти и другим путем – создавать новое поколение передающих волоконных световодов либо с большим диаметром сердцевины (поля моды) одномодового световода, либо на основе материала сердцевины

сменьшей нелинейностью.

Внастоящее время разрабатываются следующие подходы к увеличению скорости передачи информации по одному волоконному световоду:

•многоуровневая модуляция оптического излучения;

•создание многосердцевинных волоконных световодов;

•создание волоконных световодов с модовым уплотнением каналов;

•создание микроструктурированных (или фотонно-кристалличес- ких) волоконных световодов.

Рассмотрим последнее направление более подробно. Основные преимущества волоконных лазерных систем и нелинейно-оптических устройств обусловлены, в том числе, геометрией используемого волокна. В настоящее время все шире используются оптические волокна нового типа, представляющие собой изготовленную из плавленого кварца или другого материала наноили микроструктуру с периодической либо апериодической системой цилиндрических воздушных отверстий, ориентированных вдоль оси волокна. Подобная наноили микроструктура обычно изготавливается путем вытяжки из заготовки, набранной из капиллярных трубок со сплошным кварцевым стержнем в центре. Это и есть микроструктурированные волокна.

Принцип построения микроструктурированных (МС) волокон иллюстрируется на рис. 120.

Дефект микроструктуры, соответствующий отсутствию одного или нескольких воздушных отверстий (в центре на рис. 120, б), может выполнять функцию, аналогичную функции сердцевины стандартного волокна, и обеспечивать волноводный режим распространения излучения. Волноводные моды в МС-волокнах формируются

врезультате интерференции отраженных и рассеянных волн. Размер сердцевины получаемых волокон варьируется от одного до нескольких десятков микрон.

199