eng
Выпуск #2/2009
Д.Гапонов, А.Прямиков, А.Сысолятин.
Новые типы световодов: революция в волоконной оптике
Новые типы световодов: революция в волоконной оптике
Просмотры: 2741
В индийском городе Дели в декабре 2008 года состоялась международная конференция PHOTONICS’2008. Форум стал значительным событием не только для Индии, но и для всех участников из разных стран мира, которые представили результаты своих последних работ в области волоконной оптики, лазеров, оптоэлектроники, перспективных систем связи.
Организовал конференцию Индийский технологический институт (IITD Delhi). Ему оказали поддержку международные научные общества OSA, SPIE, IEEE LEOS, Office of Naval Research USA, Nextrom Oy Finland, Corning Inc. Индия не случайно была выбрана местом проведения столь внушительного международного научного собрания. В стране уделяется особое внимание революционным открытиям в области волоконной оптики. В десяти крупных научных центров занимаются исследованиями волоконной оптики, технологии волоконных лазеров и самых современных систем связи (Нью-Дели, Калькутта, Ахмедабад, Мумбаи, Хайдерабад). Проведены реальные полевые испытания мобильных оптических систем связи класса Optical CDMA, работающих на длине волны λ = 1,55 мкм. Системы этого типа способны обеспечить защищенную связь с воздушными бортами, перемещающимися со скоростями выше 1000 км/ч, на расстоянии до 20–50 км (>100 км при безоблачной атмосфере, IIT Airforce Мумбаи).
Пленарный доклад Дэвид Пейна (ORC, Великобритания), "Революция в волоконной оптике" был посвящен созданию в ближайшие годы лазеров непрерывного дейстия мегаваттного уровня на базе волоконных систем. Cуществует много важных задач, решение которых требует использование мощных одночастотных волоконных лазеров, – это зондирование атмосферы, метрология, астрономия. Для успешной реализации конструкций таких лазеров необходимы световоды с существенно увеличенным порогом ВРМБ (вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна) и большой площадью моды для преобразования субмикроджоулевых фемтосекундных импульсов в мощное мегаваттное излучение.
Значительное внимание на конференции уделялось мощным импульсным волоконным лазерам пикосекундной и субпикосекундной длительности в спектральном диапозоне 1060 и 1550 нм. С убедительными результатами проведенных экспериментов выступили проф. Д.Агравал (США) и проф. Б.Пол (Индия). Они исследовали вариант создания конструкции лазера на эффекте генерации симиляритонов* в световоде с заданным изменением нормальной дисперсии по длине волновода (ND DDF – normal dispersion – dispersion decreasing fiber). Такие фемтосекундные лазеры симиляритонных импульсов востребованы в метрологии для оптических измерений времени и частоты.
В других пленарных докладах излагались результаты экспериментов по квантовому кодированию информации – "Квантовые информационные системы на базе ВОЛС" (П.Кумар, США) и созданию новых топологий фотонных структур – "Фотонные микросхемы для обработки оптических сигналов" (Б. Эджлетон, Австралия).
Интерес слушателей привлек доклад группы ученых из Сиднея (группа CUDOS Австралийского Национального Университета), посвященный нелинейным волновым взаимодействиям в периодических структурах.
Фотонные структуры с периодической модуляцией показателя преломления открывают новые возможности для управления динамикой оптических волн. Физика распространения света в периодических фотонных структурах описывается теорией рассеяния световых волн на областях с более высоким показателем преломления и последующей интерференции рассеянных волн. Все подобные процессы являются резонансными и сильно зависят как от частоты падающего излучения, так и угла падения на области с разными показателями преломления. Таким образом, периодические фотонные структуры могут быть полезными для различных приложений, включая управление пространственными характеристиками излучения и его дифракционными свойствами.
Группа CUDOS добилась больших успехов в разработке новых типов таких фотонных структур. В частности, в работе [1] была продемонстрирована возможность управлениия пространственными и спектральными характеристиками излучения суперконтинуума посредством нелинейного взаимодействия его спектральных компонент в фотонной периодической структуре. Излучение суперконтинуума*, спектр которого показан на рис.1а, направлялось на периодическую фотонную структуру, которая представляла собой набор оптических волноводов в кристалле LiNbO3 (рис.1б).
Оптические волноводы представляют собой титановые слои шириной ~100 ангстрем, нанесенные диффузионным методом на кристалл. Расстояние между слоями было ~19 мкм. Известно, что в кристалле LiNbO3 под воздействием мощного лазерного излучения происходит нелинейное изменение показателя преломления из-за эффекта фоторефракции. В результате такого взаимодействия показатель преломления кристалла уменьшается при увеличении интенсивности излучения. В то же время, излучение, распространяющееся в периодической фотонной структуре, связываясь с соседними волноводами, испытывает дифракцию. Такая дифракция приводит к пространственному уширению входящего излучения суперконтинуума. Свет, распространяющийся по одному волноводу, начинает связываться с соседними волноводами посредством пространственного перекрытия мод отдельных волноводов. Так как профиль моды и ее пространственная локализация зависят от длины волны падающего излучения, то дифракция такого рода имеет ярко выраженную пространственную дисперсию. Это приводит к пространственному перераспределению цветов в излучении суперконтинуума: красные и синие компоненты выходят разделенными при выходе из фотонной периодической структуры (рис.2а). На рис.2б показана зависимость величины коэффициента связи между отдельными волноводами фотонной структуры от длины волны падающего излучения. Для сравнения на рис.2в представлен результат дифракции на этой структуре (см.рис.2а), смоделированный на компьютере.
Другой подход к управлению пространственно-спектральными характеристиками суперконтинуума – это использование нелинейного взаимодействия и выборочной локализации компоненты его излучения внутри отдельного волновода периодической фотонной структуры. Из-за высокой степени пространственной когерентности излучение суперконтинуума имеет высокую среднюю интенсивность, изменяя при этом показатель преломления кристалла LiNbO3. При увеличении мощности вводимого в фотонную структуру излучения суперконтинуума авторы наблюдали локализацию все большего числа его компонент в центральном волноводе (рис.3а). Причем этот эффект носил ярко выраженный пороговый характер для различных длин волн излучения (рис.3б).
Его возникновение объясняется тем, что на периодической фотонной структуре возникает диффракция луча из-за брэгговского рассеяния, дифракция эта аномальная. Нелинейность кристалла, дефокусирующая излучение, ее компенсирует. Механизм компенсации проявляется одинаково для всех длин волн излучения суперконтинуума, и, таким образом, пространственная волноводная дисперсия сильно подавляется при таком нелинейном режиме распространения излучения. Модельный расчет процесса представлен на рис.3в.
Другой важный результат, доложенный научной общественности, это полученное группой CUDOS экспериментальное подтверждение теоретических предсказаний о существовании нового типа поверхностных состояний [2, 3]. Эти состояния существуют на поверхности фотонной структуры, изготовленной в виде набора изогнутых волноводов. Как известно, поверхность, разделяющая две среды с различными оптическими свойствами, может поддерживать поверхностные волны. Появление локализованных поверхностных волн в фотонных структурах обычно объясняется проявлением таммовского механизма локализации. Таммовские состояния связаны с наличием определенного типа поверхностных дефектов, впервые предсказанные для локализованных электронных состояний на краю обрезанного периодического потенциала. Они были также обнаружены в других физических системах, например на поверхности, разделяющей периодическую и однородную оптические диэлектрические среды.
Ранее полагалось, что подобные поверхностные состояния не могут существовать на границе системы, состоящей из идентичных периодически расположенных, слабо связанных волноводов (рис.4а). В этом случае луч, введенный в такую систему, либо испытывал сильную дифракцию, либо отражался на границе между набором волноводов и однородной средой (рис.4б, 4в). Но, как впервые показали авторы в своей работе, поверхностные состояния могут существовать на границе такой системы, в случае когда волноводы периодически искривлены в направлении распространения волны (рис.4г). Сам процесс дифракции модифицируется и начинает сильно зависеть от кривизны волновода и длины волны излучения. При таких условиях луч, введенный в периодическую структуру, может распространяться, не расширяясь, на расстояния сотен дифракционных длин (рис.4д). В то же время луч, введенный вдоль границы между набором искривленных волноводов и однородной диэлектрической средой, локализуется на ней, не отражаясь. Таким образом, динамическая поверхностная локализация возможна даже при наличии дифракции. Такого рода эффект был подтвержден экспериментально и опубликован [3].
Специальным световодам были посвящены доклады многих участников конференции, из них выделялись работы ученых из немецкого университета города Йены и английского университета Саутгемптона. Первая работа была посвящена специальным световодам: "Микроструктурированные световоды для активных и пассивных приложений".
Под специальными подразумеваются такие световоды, которые обладают волноводными свойствами, отличными от свойств оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления. Одной из разновидностей таких структур являются микроструктурированные световоды (МС). Начиная с середины 90-х годов, появилось множество работ, посвященных их исследованию. Однако ныне интерес ученых сместился в область практического создания приборов и устройств на их основе. С этой точки зрения интересным является доклад научной группы из университета г. Йена (Германия) [4], где демонстрируются экспериментально реализованные конструкции таких световодов, предназаначенных для использования как в волоконных лазерах, так и в пассивных приложениях.
Первым типом световодов, которым был посвящен доклад, являются световоды с "воздушной" оболочкой [5] (рис.5). В таких структурах числовая апертура по накачке достигает величины 0,6. При этом для получения максимальной апертуры важно реализовать в структуре волокна как можно более тонкие стеклянные перемычки, на которых крепится сам световод. Обычно получаются перемычки толщиной 40–70 мкм.
Вторым типом реально работающих МС являются световоды с "подвешенной" сердцевиной [6] (рис.6). Такие конструкции интересуют разработчиков сенсоров для мониторинга окружающей среды или биологических исследований. Диаметр их сердцевины составляет порядка 1–5 мкм. Толщина удерживающих ее перемычек порядка нескольких сотен микрон. В конструкции такого МС необходимо создать наименьшее количество перемычек, чтобы максимального увеличить объем ячейки для вещества-аналита. Это ведет к достижению высокой аналитической чувствительности за счет увеличения пространства взаимодействия исследуемого вещества со светом. Оптические потери порядка 1 дБ/м допускают использование световодов длиной до десятков метров.
Следующим типом МС являлись световоды из стекла на основе компонентов из оксидов тяжелых металлов. Они находят свое применение в источниках суперконтинуума, дисперсионных фотонных устройствах, преобразователях частоты, фильтрах и т.д. Например, реализованный световод (рис.7) при оптических потерях порядка 1,2 дБ/м на длине волны 1064 мкм использовался для генерации суперконтинуума с расширенной инфракрасной областью [7].
И, наконец, последним достижением группы явилась реализация структурированной активной сердцевины в световодах с большим диаметром сердцевины [8]. Такой подход, в принципе, позволяет создавать активные сердцевины диаметром более 20 мкм при сохранении высокого качества выходного пучка. В световоде, реализованном авторами, сердцевина была составлена из 37 микронных нитей, легированных Er/Yb (рис.8). Площадь активной области оказалась равной 24 мкм на 32 мкм. С помощью боратных стержней* в оболочке была реализована PANDA-структура. Измерения показали, что на рабочей длине волны 1,545 мкм световод является одномодовым, при этом основная мода формируется за счет слабой связи между отдельными нитями. Исследования ближнего поля также показали, что при такой технологии изготовления достигается разница между показателем преломления редкоземельной сердцевины из нитей и показателем преломления фторированной сердцевиной, достаточная для подавления эффекта образования мод в отдельных нитях.
В работе группы ученых из университета Саутгемптона: "Световоды для мощных волоконных лазеров" [9] наше внимание привлекли результаты разработок световодов с сердцевиной большого диаметра, которые использовали для волоконных лазеров. В 2004 г. группой был создан лазер, работающий в непрерывном режиме на длине волны 1,1 мкм. В его конструкции была достигнута выходная мощность порядка 1 кВт [10]. Тогда был реализован волоконный лазер на основе световода со ступенчатым профилем показателя преломления диаметром 40 мкм и легированного ионами Yb3+. В докладе подчеркивается, что одним из ключевых моментов при изготовлении активных световодов является контроль профиля показателя преломления. Например, провал в сердцевине (Δn ~0,001) приводил к увеличению параметра M2 , характеризующегося отношением реально полученного и расчетного радиусов лазерного луча, со значения 1,4 до 3,2.
Группа также занималась улучшением оптических свойств стекла. В частности, приводятся последние результаты по фотопотемнению в световодах, легированных Yb3+. А именно, для матрицы Yb/Al исследовалось влияние полосы поглощения с центром на λ = 230 нм, которую можно достичь, к примеру, при многофотонном поглощении из возбужденного состояния Yb3+ при накачке излучением 915 нм или 976 нм [11]. В фосфоросиликатных световодах такой полосы не наблюдалось [12]. Также важным направлением исследований группы J.K.Sahu является реализация волоконных лазеров на других длинах волн. Например, выходная мощность волоконных лазеров на основе световодов, легированных одновременно Er/Yb, достигла 0,3 кВт в непрерывном режиме на длине волны 1,55 мкм [13].
Также авторами предложена конструкция световода, позволяющего реализовать Yb волоконный лазер на длинах волн короче 1 мкм, что является достаточно сложной задачей [14]. Необходимо подавить квазичетырехуровневую генерацию в диапазоне 1030–1070 нм. Для этого в световод W-типа была введена воздушная депрессия (рис.9) в сердцевине для более точного управления отсечкой основной моды. В таком световоде была получена генерация с выходной мощностью приблизительно 3 Вт в непрерывном режиме с параметром M2 = 1,09. Уменьшив диаметр внутренней оболочки со 120 мкм до 90 мкм, достигли увеличения мощности до 7,5 Вт, при этом ухудшив M2 до 2,7.
Такую структуру световода также использовали в волоконном лазере на основе световода, легированного ионами Nd3+, для подавления преобладающей генерации по четырехуровневой схеме. Длина волны полученной генерации лежала в области 920 нм. Здесь был реализован источник синего света на базе Nd/Al волоконного лазера с модуляцией добротности и пиковой мощностью 1,3 кВт на длине волны λ = 927 нм [15].
Свои последние результаты по висмутовым волоконным лазерам группа докладывала на конференции CLEO в мае 2008 года, когда был реализован лазер на отрезке волокна 25 м и длине волны генерации 1,16 мкм [16].
Отдельно отметим работу по сверхбыстрой оптической обработке сигналов. Потому что с возрастанием скоростей телекоммуникационных обменов информацией, ростом интереса к сверхбыстрым химическим и физическим процессам встала задача создания и развития методик измерений формы импульса с субпикосекундным разрешением. Доклад "Сверхбыстрая оптическая обработка сигналана в кремниевом чипе на основе четырехволнового смешения" [17] посвящен сверхбыстрому оптическому осциллографу, реализованному в кремнии.
Для этого в работе используется элегантное решение, основанное на пространственно-временном дуализме электромагнитных волн. Существует два способа его использования. Первый способ основан на том, что по аналогии с "пространственной" увеличивающей линзой реализуется "временная". Нужный квадратичный набег фазы во "временной" линзе реализуется за счет четырехволнового смешения. Таким образом, сверхкороткий импульс можно "растянуть" во времени, провести измерения на обычном фотоприемнике и спектроанализаторе. Второй способ основан на использовании Фурье-свойств "временной" линзы. Объект, находящийся в задней фокальной плоскости, является Фурье-преобразованием объекта, находящегося в передней фокальной плоскости. Таким образом, временную форму импульса можно преобразовать в частотную и наоборот. То есть измерение спектра в Фурье-плоскости напрямую ведет к измерению временной амплитуды входного импульса. В работе было достигнуто временное увеличение вплоть до 520 раз [18]. При этом полученная спектральная форма импульса показала хорошее совпадение с результатами, полученными с помощью корреляционных методов.
Последний доклад, о котором стоит упомянуть, – это доклад Б.Эджлетона, директора научного центра CUDOS в Австралии, "Сверхбыстрая нелинейная оптика на фотонном чипе" [19]. Выступление было посвящено обзору результатов последних работ центра по созданию различных компонент оптического процессора (рис.10), на основе наноразмерных волноводных чипов. Относительно недавно в качестве новой платформы для оптической обработки сигналов были предложены халькогенидные наноразмерные световоды, позволяющие реализовать качественную работу на сверхвысоких скоростях передачи информации [20]. Такие структуры совмещают в себе несколько необходимых свойств: быстрое время отклика, связанное с почти постоянной нелинейностью третьего порядка. Это позволяет гибко и сверхбыстро обрабатывать сигнал. Более того, высокая нелинейность позволяет реализовать компактные устройства, подходящие для монолитной интеграции на одном чипе. В одной из последних работ группы было реализовано устройство, позволяющее выделить один канал 10 Гбит/с из информационного сигнала 640 Гбит/с с помощью простой схемы четырехволнового смешения в планарном световоде длиной 5 см [21].
Литература:
1. D.Neshev, A.Sukhorukov, A.Dreischuh etc. –Phys. Rev. Letters, 2007, v. 99.
2. I.Garanovich, A.Sukhorukov, Y.Kivshar. –Phys. Rev. Latters, 2008, v. 100.
3. A.Szameit, I.Garanovich etc. – Rev. Letters, v. 101.
4. J.Kobelke et all. Recent developments of microstructured fibers for active and passive applications. – Section MB1: MICRO-STRUCTURED FIBERS, Photonics’08, Delhi, India (2008).
5. J.Kirchhof, J.Kobelke, et al. – Wiley-VCH (2004) pp. 266–288.
6. H.Lehmann, J.Kobelke, et al. Microstructured index guiding fibres with large cladding holes for evanescent field chemical sensing. –Proc. SPIE, Vol. 7004, 70042R (2008)
7. J.Kobelke, P.Leproux et al. Microstructured fibers with high lanthanum oxide glass core for nonlinear applications. –accepted SPIE Europe Optics +Optoelectronics, Prague, 2009/
8. G.Canat, S.Jetschke, S.Unger et al. Multifilament-core fibers for high energy pulse amplification at 1,5 μm with excellent beam quality. – Opt. Lett., 2008, v33.
9. J.Sahu et all. Advances in active fibres for high-power and highbrightness fibre sources. –Section WE1: FIBER LASERS, Photonics’08, Delhi, India (2008).
10. Y.Jeong, J.Sahu, D.Payne et al. Ytterbium doped large-core fiber laser with 1,36 kW continuous-wave output power. –Optics Express, 12, 6088 (2004).
11. S.Yoo, C.Basu, A.J. Boyland et al. Photodarkening in Yb doped aluminosilicate fibers induced by 488 nm irradiation. – Opt. Lett, 2007, v 32.
12. J.Sahu et al. 488 nm Irradiation Induced Photodarkening Study of Yb-doped Aluminosilicate and Phosphosilicate Fibers. – CLEO/QELS, San Jose, JTuA27 (2008).
13. Y.Jeong, S.Yoo, C.Codemard et al. Erbium:ytterbium co-doped large-core fiber laser with 297 W continuous-wave output power. –IEEE J.Sel. Top. Quantum Electron. 13, (2007).
14. J.Kim, D.Soh, J.Nilsson et al. Fiber design for high-power low-cost Yb:Aldoped fiber laser operating at 980 nm. – IEEE JSTQE 13, (2007).
15. J.Sahu et al. Q-switched Nd-doped depressed clad hollow optical fiber laser operation at 927 nm and its frequency doubling to blue light. – CLEO/Europe-IQEC 2007 Munich 17–22 Jun 2007 CA5-5-THU (2007).
16. S.Yoo, M.Kalita, J.Sahu et al. Bismuth-doped fiber laser at 1,16 mm. –CLEO/QELS 08, San Jose, US,
May 4–9 (2008).
17. A.Gaeta et. al. Ultrafast optical processing via four-wave mixing on a silicon chip. – section TC1: WAVEGUIDE DEVICES-1, Photonics’08, 13–17 december, Delhi, India (2008).
18. M.A. Foster et al. Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope. –Nature 456, 81 (2008).
19. Eggleton et. al. Ultrafast Nonlinear Optics on a Photonic Chip. – PLENARY TALK, Photonics’08, Delhi, India (2008).
20. B.Eggleton et al. Applications of Highly-Nonlinear Chalcogenide Glass Devices Tailored for High-Speed All-Optical Signal Processing. –Sel. Top. in Quant. El., IEEE Journal of , vol.14, no.3, pp.529–539, May-June 2008.
21. B.Eggleton et al. Error-free 640 Gbit/s demultiplexing using a chalcogenide planar waveguide chip. – OECC/ACOFT Post-Deadline Papers Technical Digest, 2008.
Пленарный доклад Дэвид Пейна (ORC, Великобритания), "Революция в волоконной оптике" был посвящен созданию в ближайшие годы лазеров непрерывного дейстия мегаваттного уровня на базе волоконных систем. Cуществует много важных задач, решение которых требует использование мощных одночастотных волоконных лазеров, – это зондирование атмосферы, метрология, астрономия. Для успешной реализации конструкций таких лазеров необходимы световоды с существенно увеличенным порогом ВРМБ (вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна) и большой площадью моды для преобразования субмикроджоулевых фемтосекундных импульсов в мощное мегаваттное излучение.
Значительное внимание на конференции уделялось мощным импульсным волоконным лазерам пикосекундной и субпикосекундной длительности в спектральном диапозоне 1060 и 1550 нм. С убедительными результатами проведенных экспериментов выступили проф. Д.Агравал (США) и проф. Б.Пол (Индия). Они исследовали вариант создания конструкции лазера на эффекте генерации симиляритонов* в световоде с заданным изменением нормальной дисперсии по длине волновода (ND DDF – normal dispersion – dispersion decreasing fiber). Такие фемтосекундные лазеры симиляритонных импульсов востребованы в метрологии для оптических измерений времени и частоты.
В других пленарных докладах излагались результаты экспериментов по квантовому кодированию информации – "Квантовые информационные системы на базе ВОЛС" (П.Кумар, США) и созданию новых топологий фотонных структур – "Фотонные микросхемы для обработки оптических сигналов" (Б. Эджлетон, Австралия).
Интерес слушателей привлек доклад группы ученых из Сиднея (группа CUDOS Австралийского Национального Университета), посвященный нелинейным волновым взаимодействиям в периодических структурах.
Фотонные структуры с периодической модуляцией показателя преломления открывают новые возможности для управления динамикой оптических волн. Физика распространения света в периодических фотонных структурах описывается теорией рассеяния световых волн на областях с более высоким показателем преломления и последующей интерференции рассеянных волн. Все подобные процессы являются резонансными и сильно зависят как от частоты падающего излучения, так и угла падения на области с разными показателями преломления. Таким образом, периодические фотонные структуры могут быть полезными для различных приложений, включая управление пространственными характеристиками излучения и его дифракционными свойствами.
Группа CUDOS добилась больших успехов в разработке новых типов таких фотонных структур. В частности, в работе [1] была продемонстрирована возможность управлениия пространственными и спектральными характеристиками излучения суперконтинуума посредством нелинейного взаимодействия его спектральных компонент в фотонной периодической структуре. Излучение суперконтинуума*, спектр которого показан на рис.1а, направлялось на периодическую фотонную структуру, которая представляла собой набор оптических волноводов в кристалле LiNbO3 (рис.1б).
Оптические волноводы представляют собой титановые слои шириной ~100 ангстрем, нанесенные диффузионным методом на кристалл. Расстояние между слоями было ~19 мкм. Известно, что в кристалле LiNbO3 под воздействием мощного лазерного излучения происходит нелинейное изменение показателя преломления из-за эффекта фоторефракции. В результате такого взаимодействия показатель преломления кристалла уменьшается при увеличении интенсивности излучения. В то же время, излучение, распространяющееся в периодической фотонной структуре, связываясь с соседними волноводами, испытывает дифракцию. Такая дифракция приводит к пространственному уширению входящего излучения суперконтинуума. Свет, распространяющийся по одному волноводу, начинает связываться с соседними волноводами посредством пространственного перекрытия мод отдельных волноводов. Так как профиль моды и ее пространственная локализация зависят от длины волны падающего излучения, то дифракция такого рода имеет ярко выраженную пространственную дисперсию. Это приводит к пространственному перераспределению цветов в излучении суперконтинуума: красные и синие компоненты выходят разделенными при выходе из фотонной периодической структуры (рис.2а). На рис.2б показана зависимость величины коэффициента связи между отдельными волноводами фотонной структуры от длины волны падающего излучения. Для сравнения на рис.2в представлен результат дифракции на этой структуре (см.рис.2а), смоделированный на компьютере.
Другой подход к управлению пространственно-спектральными характеристиками суперконтинуума – это использование нелинейного взаимодействия и выборочной локализации компоненты его излучения внутри отдельного волновода периодической фотонной структуры. Из-за высокой степени пространственной когерентности излучение суперконтинуума имеет высокую среднюю интенсивность, изменяя при этом показатель преломления кристалла LiNbO3. При увеличении мощности вводимого в фотонную структуру излучения суперконтинуума авторы наблюдали локализацию все большего числа его компонент в центральном волноводе (рис.3а). Причем этот эффект носил ярко выраженный пороговый характер для различных длин волн излучения (рис.3б).
Его возникновение объясняется тем, что на периодической фотонной структуре возникает диффракция луча из-за брэгговского рассеяния, дифракция эта аномальная. Нелинейность кристалла, дефокусирующая излучение, ее компенсирует. Механизм компенсации проявляется одинаково для всех длин волн излучения суперконтинуума, и, таким образом, пространственная волноводная дисперсия сильно подавляется при таком нелинейном режиме распространения излучения. Модельный расчет процесса представлен на рис.3в.
Другой важный результат, доложенный научной общественности, это полученное группой CUDOS экспериментальное подтверждение теоретических предсказаний о существовании нового типа поверхностных состояний [2, 3]. Эти состояния существуют на поверхности фотонной структуры, изготовленной в виде набора изогнутых волноводов. Как известно, поверхность, разделяющая две среды с различными оптическими свойствами, может поддерживать поверхностные волны. Появление локализованных поверхностных волн в фотонных структурах обычно объясняется проявлением таммовского механизма локализации. Таммовские состояния связаны с наличием определенного типа поверхностных дефектов, впервые предсказанные для локализованных электронных состояний на краю обрезанного периодического потенциала. Они были также обнаружены в других физических системах, например на поверхности, разделяющей периодическую и однородную оптические диэлектрические среды.
Ранее полагалось, что подобные поверхностные состояния не могут существовать на границе системы, состоящей из идентичных периодически расположенных, слабо связанных волноводов (рис.4а). В этом случае луч, введенный в такую систему, либо испытывал сильную дифракцию, либо отражался на границе между набором волноводов и однородной средой (рис.4б, 4в). Но, как впервые показали авторы в своей работе, поверхностные состояния могут существовать на границе такой системы, в случае когда волноводы периодически искривлены в направлении распространения волны (рис.4г). Сам процесс дифракции модифицируется и начинает сильно зависеть от кривизны волновода и длины волны излучения. При таких условиях луч, введенный в периодическую структуру, может распространяться, не расширяясь, на расстояния сотен дифракционных длин (рис.4д). В то же время луч, введенный вдоль границы между набором искривленных волноводов и однородной диэлектрической средой, локализуется на ней, не отражаясь. Таким образом, динамическая поверхностная локализация возможна даже при наличии дифракции. Такого рода эффект был подтвержден экспериментально и опубликован [3].
Специальным световодам были посвящены доклады многих участников конференции, из них выделялись работы ученых из немецкого университета города Йены и английского университета Саутгемптона. Первая работа была посвящена специальным световодам: "Микроструктурированные световоды для активных и пассивных приложений".
Под специальными подразумеваются такие световоды, которые обладают волноводными свойствами, отличными от свойств оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления. Одной из разновидностей таких структур являются микроструктурированные световоды (МС). Начиная с середины 90-х годов, появилось множество работ, посвященных их исследованию. Однако ныне интерес ученых сместился в область практического создания приборов и устройств на их основе. С этой точки зрения интересным является доклад научной группы из университета г. Йена (Германия) [4], где демонстрируются экспериментально реализованные конструкции таких световодов, предназаначенных для использования как в волоконных лазерах, так и в пассивных приложениях.
Первым типом световодов, которым был посвящен доклад, являются световоды с "воздушной" оболочкой [5] (рис.5). В таких структурах числовая апертура по накачке достигает величины 0,6. При этом для получения максимальной апертуры важно реализовать в структуре волокна как можно более тонкие стеклянные перемычки, на которых крепится сам световод. Обычно получаются перемычки толщиной 40–70 мкм.
Вторым типом реально работающих МС являются световоды с "подвешенной" сердцевиной [6] (рис.6). Такие конструкции интересуют разработчиков сенсоров для мониторинга окружающей среды или биологических исследований. Диаметр их сердцевины составляет порядка 1–5 мкм. Толщина удерживающих ее перемычек порядка нескольких сотен микрон. В конструкции такого МС необходимо создать наименьшее количество перемычек, чтобы максимального увеличить объем ячейки для вещества-аналита. Это ведет к достижению высокой аналитической чувствительности за счет увеличения пространства взаимодействия исследуемого вещества со светом. Оптические потери порядка 1 дБ/м допускают использование световодов длиной до десятков метров.
Следующим типом МС являлись световоды из стекла на основе компонентов из оксидов тяжелых металлов. Они находят свое применение в источниках суперконтинуума, дисперсионных фотонных устройствах, преобразователях частоты, фильтрах и т.д. Например, реализованный световод (рис.7) при оптических потерях порядка 1,2 дБ/м на длине волны 1064 мкм использовался для генерации суперконтинуума с расширенной инфракрасной областью [7].
И, наконец, последним достижением группы явилась реализация структурированной активной сердцевины в световодах с большим диаметром сердцевины [8]. Такой подход, в принципе, позволяет создавать активные сердцевины диаметром более 20 мкм при сохранении высокого качества выходного пучка. В световоде, реализованном авторами, сердцевина была составлена из 37 микронных нитей, легированных Er/Yb (рис.8). Площадь активной области оказалась равной 24 мкм на 32 мкм. С помощью боратных стержней* в оболочке была реализована PANDA-структура. Измерения показали, что на рабочей длине волны 1,545 мкм световод является одномодовым, при этом основная мода формируется за счет слабой связи между отдельными нитями. Исследования ближнего поля также показали, что при такой технологии изготовления достигается разница между показателем преломления редкоземельной сердцевины из нитей и показателем преломления фторированной сердцевиной, достаточная для подавления эффекта образования мод в отдельных нитях.
В работе группы ученых из университета Саутгемптона: "Световоды для мощных волоконных лазеров" [9] наше внимание привлекли результаты разработок световодов с сердцевиной большого диаметра, которые использовали для волоконных лазеров. В 2004 г. группой был создан лазер, работающий в непрерывном режиме на длине волны 1,1 мкм. В его конструкции была достигнута выходная мощность порядка 1 кВт [10]. Тогда был реализован волоконный лазер на основе световода со ступенчатым профилем показателя преломления диаметром 40 мкм и легированного ионами Yb3+. В докладе подчеркивается, что одним из ключевых моментов при изготовлении активных световодов является контроль профиля показателя преломления. Например, провал в сердцевине (Δn ~0,001) приводил к увеличению параметра M2 , характеризующегося отношением реально полученного и расчетного радиусов лазерного луча, со значения 1,4 до 3,2.
Группа также занималась улучшением оптических свойств стекла. В частности, приводятся последние результаты по фотопотемнению в световодах, легированных Yb3+. А именно, для матрицы Yb/Al исследовалось влияние полосы поглощения с центром на λ = 230 нм, которую можно достичь, к примеру, при многофотонном поглощении из возбужденного состояния Yb3+ при накачке излучением 915 нм или 976 нм [11]. В фосфоросиликатных световодах такой полосы не наблюдалось [12]. Также важным направлением исследований группы J.K.Sahu является реализация волоконных лазеров на других длинах волн. Например, выходная мощность волоконных лазеров на основе световодов, легированных одновременно Er/Yb, достигла 0,3 кВт в непрерывном режиме на длине волны 1,55 мкм [13].
Также авторами предложена конструкция световода, позволяющего реализовать Yb волоконный лазер на длинах волн короче 1 мкм, что является достаточно сложной задачей [14]. Необходимо подавить квазичетырехуровневую генерацию в диапазоне 1030–1070 нм. Для этого в световод W-типа была введена воздушная депрессия (рис.9) в сердцевине для более точного управления отсечкой основной моды. В таком световоде была получена генерация с выходной мощностью приблизительно 3 Вт в непрерывном режиме с параметром M2 = 1,09. Уменьшив диаметр внутренней оболочки со 120 мкм до 90 мкм, достигли увеличения мощности до 7,5 Вт, при этом ухудшив M2 до 2,7.
Такую структуру световода также использовали в волоконном лазере на основе световода, легированного ионами Nd3+, для подавления преобладающей генерации по четырехуровневой схеме. Длина волны полученной генерации лежала в области 920 нм. Здесь был реализован источник синего света на базе Nd/Al волоконного лазера с модуляцией добротности и пиковой мощностью 1,3 кВт на длине волны λ = 927 нм [15].
Свои последние результаты по висмутовым волоконным лазерам группа докладывала на конференции CLEO в мае 2008 года, когда был реализован лазер на отрезке волокна 25 м и длине волны генерации 1,16 мкм [16].
Отдельно отметим работу по сверхбыстрой оптической обработке сигналов. Потому что с возрастанием скоростей телекоммуникационных обменов информацией, ростом интереса к сверхбыстрым химическим и физическим процессам встала задача создания и развития методик измерений формы импульса с субпикосекундным разрешением. Доклад "Сверхбыстрая оптическая обработка сигналана в кремниевом чипе на основе четырехволнового смешения" [17] посвящен сверхбыстрому оптическому осциллографу, реализованному в кремнии.
Для этого в работе используется элегантное решение, основанное на пространственно-временном дуализме электромагнитных волн. Существует два способа его использования. Первый способ основан на том, что по аналогии с "пространственной" увеличивающей линзой реализуется "временная". Нужный квадратичный набег фазы во "временной" линзе реализуется за счет четырехволнового смешения. Таким образом, сверхкороткий импульс можно "растянуть" во времени, провести измерения на обычном фотоприемнике и спектроанализаторе. Второй способ основан на использовании Фурье-свойств "временной" линзы. Объект, находящийся в задней фокальной плоскости, является Фурье-преобразованием объекта, находящегося в передней фокальной плоскости. Таким образом, временную форму импульса можно преобразовать в частотную и наоборот. То есть измерение спектра в Фурье-плоскости напрямую ведет к измерению временной амплитуды входного импульса. В работе было достигнуто временное увеличение вплоть до 520 раз [18]. При этом полученная спектральная форма импульса показала хорошее совпадение с результатами, полученными с помощью корреляционных методов.
Последний доклад, о котором стоит упомянуть, – это доклад Б.Эджлетона, директора научного центра CUDOS в Австралии, "Сверхбыстрая нелинейная оптика на фотонном чипе" [19]. Выступление было посвящено обзору результатов последних работ центра по созданию различных компонент оптического процессора (рис.10), на основе наноразмерных волноводных чипов. Относительно недавно в качестве новой платформы для оптической обработки сигналов были предложены халькогенидные наноразмерные световоды, позволяющие реализовать качественную работу на сверхвысоких скоростях передачи информации [20]. Такие структуры совмещают в себе несколько необходимых свойств: быстрое время отклика, связанное с почти постоянной нелинейностью третьего порядка. Это позволяет гибко и сверхбыстро обрабатывать сигнал. Более того, высокая нелинейность позволяет реализовать компактные устройства, подходящие для монолитной интеграции на одном чипе. В одной из последних работ группы было реализовано устройство, позволяющее выделить один канал 10 Гбит/с из информационного сигнала 640 Гбит/с с помощью простой схемы четырехволнового смешения в планарном световоде длиной 5 см [21].
Литература:
1. D.Neshev, A.Sukhorukov, A.Dreischuh etc. –Phys. Rev. Letters, 2007, v. 99.
2. I.Garanovich, A.Sukhorukov, Y.Kivshar. –Phys. Rev. Latters, 2008, v. 100.
3. A.Szameit, I.Garanovich etc. – Rev. Letters, v. 101.
4. J.Kobelke et all. Recent developments of microstructured fibers for active and passive applications. – Section MB1: MICRO-STRUCTURED FIBERS, Photonics’08, Delhi, India (2008).
5. J.Kirchhof, J.Kobelke, et al. – Wiley-VCH (2004) pp. 266–288.
6. H.Lehmann, J.Kobelke, et al. Microstructured index guiding fibres with large cladding holes for evanescent field chemical sensing. –Proc. SPIE, Vol. 7004, 70042R (2008)
7. J.Kobelke, P.Leproux et al. Microstructured fibers with high lanthanum oxide glass core for nonlinear applications. –accepted SPIE Europe Optics +Optoelectronics, Prague, 2009/
8. G.Canat, S.Jetschke, S.Unger et al. Multifilament-core fibers for high energy pulse amplification at 1,5 μm with excellent beam quality. – Opt. Lett., 2008, v33.
9. J.Sahu et all. Advances in active fibres for high-power and highbrightness fibre sources. –Section WE1: FIBER LASERS, Photonics’08, Delhi, India (2008).
10. Y.Jeong, J.Sahu, D.Payne et al. Ytterbium doped large-core fiber laser with 1,36 kW continuous-wave output power. –Optics Express, 12, 6088 (2004).
11. S.Yoo, C.Basu, A.J. Boyland et al. Photodarkening in Yb doped aluminosilicate fibers induced by 488 nm irradiation. – Opt. Lett, 2007, v 32.
12. J.Sahu et al. 488 nm Irradiation Induced Photodarkening Study of Yb-doped Aluminosilicate and Phosphosilicate Fibers. – CLEO/QELS, San Jose, JTuA27 (2008).
13. Y.Jeong, S.Yoo, C.Codemard et al. Erbium:ytterbium co-doped large-core fiber laser with 297 W continuous-wave output power. –IEEE J.Sel. Top. Quantum Electron. 13, (2007).
14. J.Kim, D.Soh, J.Nilsson et al. Fiber design for high-power low-cost Yb:Aldoped fiber laser operating at 980 nm. – IEEE JSTQE 13, (2007).
15. J.Sahu et al. Q-switched Nd-doped depressed clad hollow optical fiber laser operation at 927 nm and its frequency doubling to blue light. – CLEO/Europe-IQEC 2007 Munich 17–22 Jun 2007 CA5-5-THU (2007).
16. S.Yoo, M.Kalita, J.Sahu et al. Bismuth-doped fiber laser at 1,16 mm. –CLEO/QELS 08, San Jose, US,
May 4–9 (2008).
17. A.Gaeta et. al. Ultrafast optical processing via four-wave mixing on a silicon chip. – section TC1: WAVEGUIDE DEVICES-1, Photonics’08, 13–17 december, Delhi, India (2008).
18. M.A. Foster et al. Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope. –Nature 456, 81 (2008).
19. Eggleton et. al. Ultrafast Nonlinear Optics on a Photonic Chip. – PLENARY TALK, Photonics’08, Delhi, India (2008).
20. B.Eggleton et al. Applications of Highly-Nonlinear Chalcogenide Glass Devices Tailored for High-Speed All-Optical Signal Processing. –Sel. Top. in Quant. El., IEEE Journal of , vol.14, no.3, pp.529–539, May-June 2008.
21. B.Eggleton et al. Error-free 640 Gbit/s demultiplexing using a chalcogenide planar waveguide chip. – OECC/ACOFT Post-Deadline Papers Technical Digest, 2008.
Отзывы читателей
