Nelineārie optiskie efekti telekomunikāciju šķiedrās

 

 

Pasaulē ieviestās optiskās sistēmas ir divu galveno tehnoloģijas virzienu rezultāts. Pirmā ir mazu zudumu silīcija šķiedru attīstīšana, bet otrā - atbilstošas liela ātruma gaismas viļņu iekārtas (t. i., ar erbiju piesātināti pastiprinātāji, Ramana pastiprinātāji, WDM, fotodetektori). Nelineārajiem efektiem (NOE) ir liela loma optiskajās komunikāciju sistēmās, lāzeru tehnoloģijās un optiskajā informācijas apstrādē [1]. Tāpēc arī SP publicē četru nozares speciālistu zinātniskā darba īsu kopsavilkumu.

 

Nelineārās optiskās parādības

Nelineārās optikas parādības novērojamas tikai relatīvi lielā gaismas intensitātē un kvalitatīvi izmaina pārraidāmo signālu. Būtiskākās no tām ir optisko harmoniku un parametriskās ģenerācijas efekti, inducēto Ramana un inducēto Mandelštama - Briljēna izkliede, fotoinducētas laušanas un absorbcijas koeficientu pārmaiņas, pašmodulēšanās, pašfokusēšanās u. c. Lai palielinātu šķiedru optikas pārraides sistēmas (ŠOPS) informācijas caurlaides spēju C līdz nepieciešamajam lielumam, pārraides sistēmās izmanto NOE.

Šajā rakstā ir apskatīta mūsu pētnieciskās grupas iegūtie eksperimentālie rezultāti daudzmodu un vienmodas telekomunikāciju šķiedrās un tās ir salīdzinātas ar medicīnā izmantojamām daudzmodu šķiedrām.

Lāzerstarojuma jaudas mērīšana ir viens no optoelektronikas galvenajiem uzdevumiem, jo gandrīz visu parametru mērīšana balstās uz jaudas mērījumiem. Tā kā mūsu eksperimentu gadījumā, kad jāregulē pikosekunžu impulsu secība ar atkārtošanās frekvenci f=2Hz un jāpēta šo impulsu izplatīšanās optiskajās šķiedrās, nav pieejami standarta optiskie jaudas mērītāji, speciāli šiem mērījumiem tika konstruēts pikosekunžu impulsu secības vidējās jaudas mērītājs (VJM), kas paredzēts f=0,5-20 Hz diapazonam. Vidējās jaudas mērījumi arī uzlabo kopējo mērījumu precizitāti, kad impulsu amplitūdas fluktuē.

 

Eksperimentu rezultāti un to analīze

Eksperimenti tika veikti ar divkanālu pikosekunžu lāzerspektrometru, kurš ģenerē pikosekunžu gaismas impulsus ar maināmu viļņa garumu 400-1500nm diapazonā. Mērījumu shēma ir attēlota 1. zīmējumā. Lai ievadītu šķiedrā gaismas impulsu ar garumu τ=25ps, tika izmantota lēca ar 50 mm fokusa attālumu, bet 17,7ps garu impulsu fokusēšanai - lēca ar 26 mm fokusa attālumu. Mērījumi tika veikti ar lineāri (vertikāli) polarizētas gaismas pikosekunžu impulsiem, kas tika fokusēti šķiedrā ar lēcas palīdzību. Šķiedras ieejā un izejā impulsu enerģija mērīta ar VJM. Gaismas caurlaidības mērījumu precizitāti galvenokārt noteica lāzerimpulsu vidējās enerģijas stabilitāte, kas bija aptuveni 20 procentu robežās.

 

1. zīmējums. Gaismas zudumu mērījumu shēma. 1- gaismas avots - pikosekunžu lāzersistēma; 2 - lēca; 3 - optiskā šķiedra; 4 - kalorimetriskais impulsu enerģijas detektors KUM-1; 5- mikroampērmetrs F118; I₀ - krītošās gaismas intensitāte; I- no šķiedras iznākošās gaismas intensitāte.

 

VJM lietojām, lai izmērītu pikosekunžu lāzersistēmas ģenerēto impulsu ilgumu (Dt) un to spektra platumu (Dn). Pikosekunžu lāzersistēma sastāv no YAG:Nd⁺³ signālģeneratora, kas darbojas pasīvās modu sinhronizācijas režīmā, un no diviem YAG:Nd⁺³ lāzerpastiprinātājiem. Signālģenerators ģenerē pikosekunžu impulsu secību ar viļņa garumu 1064 nm, kas sastāv no 8-10 impulsiem 10 ns intervālā un f=2 Hz. Visjaudīgākais impulss no šīs secības tiek izdalīts no signālģeneratora rezonatora ar speciālu izdales sistēmu, kas sastāv no Astona slēdža un Pokelsa šūnas.

Lai izmērītu pikosekunžu impulsu ilgumu, lietojām kolineārās autokorelācijas metodi, kuras pamatā ir otrās optiskās harmonikas ģenerācija nelineārā KDP kristālā [1]. Pikosekunžu un īsāku impulsu ilguma mērījumi ir iespējami tikai netiešā veidā. Lietojot eksperimentos otrās harmonikas ģenerācijas metodi, cenšamies iegūt spektrāli ierobežotus impulsus pikosekunžu lāzerspektrometra izejā. Lai to noteiktu, izmanto tā saukto impulsa nenoteiktības relāciju DtDn, un, ja šis reizinājums atbilst teorētiski aprēķinātajam minimumam, tad modu sinhronizācija ir pilnīga un pikosekunžu impulsu kvalitāte ir visaugstākā. Šādus impulsus sauc par spektrāli ierobežotiem.

Katra atsevišķa impulsa jaudas noteikšana ar izmantoto aparatūru nebija iespējama, tāpēc tika mērīta vidējā jauda šķiedras ieejā.

Analizējot eksperimentos iegūtos rezultātus, var secināt, ka gaismas vājinājuma un tātad arī zudumu atkarība no krītošās gaismas intensitātes apskatītajā intensitātes diapazonā ir lineāra, tādēļ mērījumu izkliedes minimizēšanai var lietot vismazāko kvadrātu metodi /2/. Tas nozīmē, ka funkciju attēlojošās taisnes caur eksperimentālajiem punktiem ir novilktas, izmantojot formulu:

 (1)   a¢= a + b× I₀,

kur a un b ir lineārās regresijas koeficienti.

Eksperimentālie rezultāti parādīti 1., 2., un 3. zīmējumā. 2. zīmējumā attēlota 15 m vienmodas telekomunikāciju šķiedra ar serdes diametru 9μm  125μm apvalka diametru. Šajā eksperimentā lāzerspektometra ģenerēto impulsu garums τ_imp=25μm, gaismas viļņa garums λ=532nm. Pētītās šķiedras laukums.

I0, GW/cm2

 

 

2. zīmējums. Vājinājuma atkarība no krītošās gaismas intensitātes 9/125μm šķiedrai.

 

3. zīmējumā redzama 10 m daudzmodu telekomunikāciju šķiedra ar serdes diametru 62,5μm un apvalka diametru 125μm. Lāzerspektometra ģenerēto impulsu garums τ_imp=25μm, gaismas viļņa garums λ=532nm. Pētītās šķiedras laukums

 

4. zīmējuma redzama 10 m dadzmodu optiskā šķiedra CKP-800 ar serder diametru 800 μm. Šajā eksperimentā lāzerspektrometra ģenerēto impulsu garums τ_imp=17.7μm, gaismas viļņa garums λ=532nm. Pētītās šķiedras laukums .

 

 

 

I0, GW/cm2

 

3. zīmējums. Vājinājuma atkarība no krītošās gaismas intensitātes 62,5/125μm šķiedrai.

 

 

I0, GW/cm2

 

 

4. zīmējums. Vājinājuma atkarība no krītošās gaismas intensitātes šķiedrai CKP-800, ja viļņa garums λ=532nm.

 

2.-4. zīmējumā ir redzamas atšķirības starp telekomunikācijās paredzētajām šķiedrām un šķiedru CKP-800. Lineārie zudumi lielāki ir šķiedrai CKP-800, jo to paredzēts lietot medicīnā. 

 

Nelineāro optisko zudumu (NOZ) veidošanās mehānismi

No iegūtajiem rezultātiem redzams, ka zudumi pētītajā gaismas intensitātes apgabalā 10⁹-10¹³W/cm² ir atkarīgi no gaismas intensitātes – pieaugot tai, palielinās vājinājums. CKP-800 šī atkarība ir apgabalā , turpretī telekomunikāciju šķiedrām, sākot no intensitātes 10¹¹W/cm². Lai noskaidrotu nelineāro zudumu cēloņus, nepieciešams precizēt iespējamos zudumu veidošanās mehānismus. Optiskā caursite ir viens no galvenajiem zudumu palielināšanos cēloņiem šķiedrā, bet mūsu gadījumā tā nevarēja būt par iemeslu, jo paliekoša šķiedras caurlaidības samazināšanās netika novērota. Fotorefrakcija mūsu eksperimentos bija par mazu, lai ietekmētu nelineāros optiskos zudumus. Ja laušanas koeficienta pārmaiņu inerci neņem vērā, tad tā atkarību no intensitātes izsaka formula

 (6)    Δn=n₀+n₂I_o,

kur      n₂ - nelineārais laušanas koeficients, ja Δn>10^-2 optiskie zudumi var pieaugt radušās noplūdes vai starojuma modu dēļ. Mūsu gadījumā tā ir tikai (n₂ I₀)_max=9.996 10^-3, tāpēc fotorefrakcija ir par vāju, lai ievērojami palielinātu optiskos zudumus.

Inducētās Ramana izkliedes (SRS) un inducēto Mandelštama - Briljēna izkliedes (SMBS) rezultātā spektrā rodas jauni komponenti - Stoksa un anti Stoksa, kuri netika novēroti. Tādēļ var uzskatīt, ka SRS un SMBS nevarēja radīt NOZ.

Viens no visvairāk iespējamiem NOZ cēloņiem ir daudzfotonu, pamatā divfotonu, absorbcija. Eksperimentos apskatītajos procesos tieša divfotonu absorbcija nav iespējama. Lāzerfotona enerģija ir 2.33eV, bet SiO₂ aizliegtās enerģētiskās zonas platums - 6.39eV, tas nozīmē, ka kvarca aizliegtās zonas platums pārsniedz divu lāzerfotonu enerģiju summu, bet jebkurā materiālā ir sastopami dažādi defekti - piemaisījumu atomi, kristāliskā režģa bojājumi, līdz ar to var secināt, ka nelineāro optisko zudumu galvenais cēlonis eksperimentos pētītajās šķiedrās ir divfotonu absorbcija ar defektu centru starpniecību. Aprēķini apstiprina šo pieņēmumu. 1. tabulā redzamas χ₀  (lineārās absorcijas koeficents) un χ₂ (divfotonu absorbcijas koeficients) vērtības dažādām šķiedrām.

 

1. tabula. χ₀  (lineārās absorcijas koeficents) un χ₂ (divfotonu absorbcijas koeficients) vērtības dažādām šķiedrām

 

	9/125μm	62.5/125μm	CKP-800
	λ=532nm	λ=532nm	λ=532nm
c0 , 10-4 cm-1	2.58	9.66	1.5
c2 , 10-12cm/W			0.72

 

Secinājumi

Rakstā tika apskatīti telekomunikācijās un medicīnā izmantojamo šķiedru optisko zudumu atkarība no gaismas intensitātes. Telekomunikāciju šķiedras tiek izmantotas viļņu garuma diapazonā no 850 nm  līdz 1330 nm, līdz ar to lineārie zudumi pie 532 nm ir ievērojami. Pieaugums ir atkarīgs kā no šķiedras tipa, tā arī no viļņa garuma. Nelineāro optisko zudumu galvenais cēlonis eksperimentos pētītajās šķiedrās ir divfotonu absorbcija ar defektu centru starpniecību. Nelineārais divfotonu absorbcijas koeficients ir maz atkarīgs no viļņa garuma, bet dažādu šķiedru atšķirības vājinājuma atkarībai no intensitātes nosaka dažādie lineārās absorbcijas koeficienti, kas padara neiespējamu iegūt solitona režīmu (piemēram, mūsu eksperimentos medicīnā izmantojamajai šķiedrai). Acīmredzot tas ir saistīts ar ievērojamu piemaisījumu koncentrāciju pētītajās šķiedrās. NOZ ir mazāki telekomunikāciju šķiedrām, jo tās ir tīrākas, ar mazākiem piemaisījumiem. Iespējams, ka šīs defektīvās šķiedras, pateicoties ievērojamam nelineārajam absorbcijas koeficientam, var izmantot optisko ierobežotāju, dinamisko filtru un gaismas modulatoru izveidei.

 

Jurģis PORIŅŠ¹, Andris OZOLS^1,2, Jānis EIMUSS³, Ģirts IVANOVS¹

 

 Izmantotā literatūra

 

[1] Y.R. Shen, The principles of Nonlinear Optics, John Wile & Sons, New York, etc., 1984

[2] Å.Č. Ļóńņūėüķčź.ŃŅĄŅČ×ÅŃŹČÅ ĢÅŅĪÄŪ ĄĶĄĖČĒĄ ĪĮŠĄĮĪŅŹČ ĶĄĮĖŽÄÅĶČÉ. M: Ķąóźą, 1968ć., 288ń.

 [3]. A. Ozols, G. Ivanovs, G. Coders. Nonlinear optical losses in medical fibers. "Optical Inorganic Dielectric Materials and Devices" , Riga, 1996.g. 276.-279.

¹ RTU Telekomunikāciju institūts, LV-1048, Rīga, Latvija

² Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts, LV-1063, Rīga, Latvija

³ Lattelekom, Rīga, Latvija