Нелінійна фотон-фононна взаємодія та когерентні процеси в оптичних хвилеводах

де Nm - кількість мод, що використовуються для декомпозиції, які вибираються виходячи із спектрального діапазону, підлягаючого до аналізу, v,i - центральна частота i-ого гауссового профілю, параметр i= FWHMi/(2) 0,6 FWHMi, де FWHMi - повна ширина на половині від максимуму для i-ого гауссового профілю, яку звичайно використовують у спектроскопії. Величини амплітуд Ai спільно з v,i та i використовують в якості параметрів для нелінійної апроксимації.

В обґрунтування фізичного змісту процедури гауссової декомпозиції спектра КР підсилення треба відзначити той факт, що плавлений кварц становить собою аморфний матеріал. Тому кожний загасаючий осцилятор з резонансною частотою вигляду (10) має довільну орієнтацію відносно своїх сусідів, які вносять стохастичні збурення у частоту цього осцилятора. Тому треба очікувати формування гауссового профілю для суперпозиції великої кількості вузьких спектральних максимумів з нормальним розподілом випадкових значень частот для цих осциляторів.

На відміну від неоднорідного розширення у випадку однорідного розширення коливальних частот для декомпозиції складного спектрального контуру традиційно використовують лорентцеву форму лінії. Зауважимо, що формальне використання осциляторних функцій є еквівалентним до припущення про однорідне розширення ліній ВКР. Прямою перевіркою встановлено, що апроксимація за допомогою осциляторних функцій може забезпечити цілком прийнятну для практики точність наближених розрахунків. Однак, отримані дані моделювання свідчать, що точність гауссової апроксимації в середньому більш, ніж на порядок краща за точність осциляторного наближення. Це можна розглядати як певний додатковий факт (хоча і непрямий) на користь неоднорідного механізму розширення ВКР профілю у кварцових волокнах. Тому для подальшого моделювання слід віддати перевагу застосуванню гауссових функцій (10) як базису для декомпозиції спектрів ВКР інших кварцових волокон.

Таблиця 1.

Вихідні параметри гауссової апроксимації спектра ВКР підсилення для трьох найбільш поширених типів оптичних волокон

Для області спектра ВКР 25 - 750 см-1 отриманий нами оптимальний набір параметрів, які фігурують в таблиці 1, містить Nm=10 коливних мод для волокна типу True Wave RSTM та Nm=8 - для двох інших типів волокна. Про достатню точність апроксимації свідчать відносні відхилення I/I0 , що обчислювались для кожного представленого волокна, а область інтегрування складала від 25 см-1 до 750 см-1. Зокрема I/I0= 1,510-4 для волокна типу True Wave RSTM ; I/I0= 2,010-5 для волокна зі зміщеною дисперсією (DCF волокно);
I/I0= 3,610-5 для спеціалізованого КР волокна, яке має максимальний коефіцієнт КР підсилення серед волокон на основі плавленого кварцу.

Надзвичайно простий аналітичний вигляд апроксимуючих функцій у вигляді лінійної комбінації експонент є істотною перевагою представленого метода і виявляється корисним для моделювання параметрів підсилення, зокрема для визначення спектральної щільності оптичного шуму, оптимізації величини групової затримки у ВКРП з багато хвильовою накачкою та для створення відповідних пристроїв корекції.

Точне відтворення нами частотних профілів КР підсилення дозволило кількісно визначити порогові умови лазерної генерації у спеціалізованих волокнах, а також потужності помпування, за якої створюється режим повної прозорості у довільній точці стоксового зсуву для стандартного кварцового волокна, DCF волокна і волокна типу True Wave RSTM. Залежності порогової потужності ВКР помпування для повної прозорості волокна зображено на рис. 11 як функція від довжини хвилі для трьох типів передавальних волокон.

На рис. 12 подано залежності лазерного порогу ВКР (p =1,45 нм) від довжини хвилі для спеціалізованих КР волокон з різними значеннями власних втрат, які змінюються в діапазоні від 0,2 дБ/км до 1,0 дБ/км. Якщо потужність накачки знаходиться нижче за рівень лазерного порога, тобто розташовується в області під кривою на рис. 12, то стоксові хвилі матимуть загасання, а ВКР підсилення має місце в області над кривими.

Природно, що порогова потужність для монохроматичного стоксового сигналу на s =1,55 мкм зростає приблизно від 9 мВт до 40 мВт, коли власні втрати волокна збільшуються від 0,2 дБ/км до 1,0 дБ/км. Тим не менш, як видно на рис.12, при відносно невеликій потужності помпування Pp=100 мВт у КР волокні з втратами = 0,5 дБ/км поріг лазерної генерації настає на довжині хвилі 1466 нм, а закінчується на довжині хвилі 1613 нм. У цьому випадку смуга перебудови ВКР лазера потенційно перевищує 140 нм та перекриває обидва телекомунікаційні вікна. Ширину смуги перебудови лазера можна додатково розширити підвищенням потужності помпування або шляхом зниження власних втрат КР волокна. Для зміни центральної довжини хвилі всередині такої смуги оптичних частот досить вибрати іншу довжину хвилі накачки, не змінюючи параметрів активного КР волокна.

Отже запропонована нами методика дозволяє визначити смугу ВКР підсилення для довільної миттєвої потужності помпування та значення власних втрат у поширених кварцових волокнах. Показано, що за потужності помпування 200 мВт у стандартному кварцовому волокні смуга підсилення складає 6,7 ТГц, а для волокна типу TrueWave RSTM та для DCF волокон перевищує 10 ТГц (відповідно 10,2 ТГц та 17 ТГц).

Таким чином, в розділі 5 нами викладені методики визначення абсолютних значень порогової потужності, умов повної прозорості та смуги ВКР підсилення у довільному волокні для заданої довжини хвилі і потужності помпування. Метод заснований тільки на частотній залежності головних параметрів волокна таких, як коефіцієнт ВКР підсилення gR() і параметр загасання волокна (). Кількісні оцінки умов повної оптичної прозорості за рахунок ВКР підсилення виконані для кварцових волокон, які широко застосовуються в оптичному зв'язку. Наведені дані розрахунку смуги ВКР підсилення в цих волокнах та потужності помпування, які дозволяють забезпечити ширину смуги понад 10 ТГц. Показано, що лазерний поріг для монохроматичного стоксового сигналу буде спостерігатися незалежно від реальних втрат волокна у досить широкому спектральному діапазоні, якщо потужність накачки підвищити до кількох сотень міліват. У цьому випадку лазерну генерацію можна отримати в діапазоні приблизно від 1,5 мкм до 1,6 мкм при довжині хвилі помпування p =1,45 мкм, що відповідає повній смузі максимальної прозорості волокна.

В шостому розділі наведені результати моделювання параметрів та експериментальні дослідження комбінаційних підсилювачів оптичного випромінювання.

Нашу спектроскопічну модель було апробовано на тестовому аналізі наявного промислового зразка і це дало повну відповідність до даних вимірювань за головними параметрами ВКРП - смугою робочих частот та нерівномірністю підсилення.

Запропоновано оригінальну схему багатохвильової накачки для ВКРП, яка розширює смугу підсилення від C-діапазону до C+L-діапазонів із підтриманням мінімальної нерівномірності підсилення. Визначений оптимальний розподіл довжин хвилі та потужностей кожного джерела помпування, що забезпечує нерівномірність підсилення <0,5 дБ в загальній смузі частот 10,2 ТГц.

Проведене нами моделювання показує, що смугу підсилення ВКРП можна розширити на L-вікно при використанні всього двох додаткових накачок з довжинами хвиль на 1486 нм та 1510 нм, відповідно. На рис. 13. наведена схема багатохвильової накачки для ВКРП, яка містить шість джерел, та дозволяє розширити смугу підсилення на L-діапазон. Вона складається з 4 наявних ЛД накачки (p=1426, 1436, 1456 і 1466 нм) та двох додаткових резонаторів у КР волокні (на 1486 і 1510 нм), які розширюють смугу підсилення від C-діапазону до C+L-діапазонів і забезпечують практично необхідний мінімум нерівномірності підсилення.

При моделюванні смуги підсилення ВКРП як частотне положення, так і кількість додаткових накачок можна оптимізувати в інтерактивному режимі, виходячи із заданого критерію про потрібну рівномірність коефіцієнта підсилення у смузі. Визначення довжин хвилі, на яких необхідно отримати КР лазери для додаткових накачок ВКРП, фактично означає розрахунок геометричних параметрів волоконних брегівських ґраток для КР лазерних резонаторів у схемі на рис.13.

На рис. 14 наведено результати розрахунку ВКРП, який має смугу підсилення майже 100 нм з низьким рівнем нерівномірності підсилення, не більш за 0,5 дБ. Нерівномірність підсилення мінімізується відповідним вибором потужності помпування для кожного окремого джерела. Мінімальний рівень нерівномірності може бути зроблений <0,5 дБ в обох C+L діапазонах, якщо ефективні (діючі) значення потужностей для кожної з накачок будуть знаходитися у співвідношенні 0,8 : 1,0 : 0,75 : 0,7 : 1,1 : 1,5.

Вперше нами проведені спеціальні експериментальні дослідження оптичного шуму підсиленого спонтанного випромінювання (ПСВ) у волоконних комбінаційних підсилювачах. Розроблена схема експерименту та проведені вимірювання ПСВ у комбінаційних підсилювачах із зустрічним помпуванням у номінальному діапазоні потужності помпування 0-300 мВт для кожного з чотирьох джерел помпування на довжинах хвиль 1426, 1436, 1456 та 1466 нм. Результати абсолютних вимірювань спектрального розподілу вихідної потужності ПСВ подано на рис. 15.

За даними вимірювань (рис.15) експериментально з'ясовано, що спектри ПСВ мають яскраво виражений характер спектра спонтанного комбінаційного розсіяння світла у кварцових волокнах в усій в області стоксових зсувів від 0 до 1400 см-1. Спонтанний характер ПСВ підтверджений специфічним для СКР підйомом низькочастотних складових у спектрі та даними прямих вимірювань абсолютного перерізу стоксового випромінювання, що змінюється від (2,75 0,08)10-6 при потужності ЛД накачки 100 мВт до (4,3 0,2)10-6 при потужності накачки 300 мВт.

Розподіл потужності стоксового ПСВ, що створюється окремим ЛД з p =1466 нм у ВКРП із зустрічним помпуванням показаний на рис. 16 для області частот стоксового КР зсуву від 0 до 900 см-1(27 ТГц). На нормованих кривих (рис. 16б) чітко видна тенденція, згідно з якою розподіл потужності ПСВ прямує до профілю КР підсилення (пунктир) при зростанні потужності накачування. У процесі ВКР, згідно до співвідношень (7) - (8), повинен формуватися профіль КР підсилення у вигляді нульового за Кельвіном перерізу розсіяння, який показаний пунктиром на рис. 16б. На відміну від спонтанного КР, ВКР не залежить від густини фононних станів і, відповідно, не залежить від температури.

Підсилення потужності спонтанного оптичного шуму в одномодовому кварцовому волокні, як можна побачити на рис. 16, знаходиться в межах досить малих значень. Квантова ефективність КР зростає не більш, ніж на ~40 %, а це відповідає вкл\вимкн підсиленню приблизно всього на 1,9 дБ, коли потужність накачування збільшується у 3 рази, тобто від 100 мВт до 300 мВт.

Разом з тим за таких потужностей помпування підсилення когерентного сигналу досягає 20 дБ (зростання потужності у 100 разів). З'ясовано, що конкуренція мод у процесі нелінійної фотон-фононної взаємодії помпування з коливною системою волокон є фізичною причиною величезного перевищення підсилення потужного когерентного сигналу над підсиленням слабкого некогерентного оптичного шуму у номінальних режимах потужності накачки. Важливим наслідком конкуренції мод є збільшення відношення сигнал/шум на виході розподіленого оптичного підсилювача у порівнянні із випадком відсутності ВКРП, в результаті чого виникає радикальне зменшення коефіцієнта шуму такого підсилювача

Згідно з даними, що наведені на рис. 17, чисте підсилення для ПСВ суттєво залежить від пікової потужності у шумовому розподілі, яка визначається частотним положенням даного максимуму на спектрі. Коефіцієнти підсилення ПСВ помітно зростають у точках на спектрі, які мають більшу інтенсивність, що є результатом ВКР нелінійності. Одночасно максимальне підсилення шуму залишається у багато разів меншим у порівнянні з нелінійним підсиленням когерентного сигналу. Відношення сигнал/шум на виході ВКРП стає більшим у порівнянні із випадком відсутності ВКРП, а фізика цього ефекту витікає із нелінійності ВКР підсилення та пов'язаної з нею конкуренції мод між когерентним сигналом та некогерентним оптичним шумом.

Таким чином, надані експериментальні результати вимірювань підсилення шуму у ВКРП із оберненим помпуванням та терагерцовою робочою смугою частот однозначно вказують на те, що його реальний коефіцієнт шуму має рівень суттєво нижчий за встановлену межу в 3 дБ. Для цього існує щонайменше дві фізичні причини, в основі яких лежить фундаментальна особливість процесу ВКР, яка полягає в нелінійності взаємодії оптичних хвиль.

По-перше, когерентний сигнал з набагато більшою потужністю, ніж потужність спонтанного стоксового шуму, значно ефективніше підсилюється за рахунок випромінювання накачки у порівнянні з підсиленням стоксового випромінювання із випадковим розподілом початкової фази. По-друге, наявність порогу ВКР суттєво звужує ефективну шумову смугу і по мірі виснаження накачки одночасно зменшується довжина когерентного накопичення стоксового шуму. Тому навіть за відсутності вхідного сигналу реальний коефіцієнт підсилення ПСВ у промисловому зразку ВКРП виявляється настільки малим, що власний шум підсилювача мало відрізняється від спонтанного КР накачки, причому його рівень приблизно складає -60 дБ відносно вхідного рівня накачки. У дослідженому діапазоні номінальних потужностей помпування коефіцієнт підсилення ВКРП для сигналу суттєво перевищує коефіцієнт підсилення для шуму. Тому згідно з кількісним виразом для коефіцієнта шуму Fn, якщо за певних умов експлуатації на виході підсилювача Qout виявляється більшим за Qin, то це еквівалентно значенню Fn<1 в усій терагерцовій смузі робочих частот такого підсилювача. Представлені оцінки на основі прямих вимірювань спектрів потужності ПСВ прояснюють причини суттєвого покращення надійності передачі інформації при застосуванні ВКРП.

У підсумковому підрозділі узагальнені результати дисертаційної роботи та сформульовані основні висновки.

Основні результати та висновки

В результаті виконання дисертаційної роботи експериментально та теоретично (числовим моделюванням) досліджені фундаментальні особливості нелінійної фотон-фононної взаємодії лазерного випромінювання з молекулярними коливаннями, динаміка впливу фононних коливань на формування діелектричних та нелінійних властивостей матеріалу світловодів та протікання когерентних процесів в оптичних хвилеводах світла, зокрема:

1. Вперше з'ясовано, що конкуренція мод у процесі нелінійної фотон-фононної взаємодії помпування з коливною системою волокон є фізичною причиною величезного перевищення підсилення потужного когерентного сигналу над підсиленням слабкого некогерентного оптичного шуму у номінальних режимах потужності накачки. Важливим наслідком конкуренції мод є збільшення відношення сигнал/шум на виході розподіленого оптичного підсилювача у порівнянні із випадком відсутності ВКРП, в результаті чого виникає радикальне зменшення коефіцієнта шуму такого підсилювача.

2. Нами вперше застосовано можливості фотон-фононної взаємодії для кількісного визначення параметрів електроакустичного навантаження зустрічно-штирового перетворювача поверхневих акустичних хвиль (ПАХ). Методика успішно апробована на узгодженні перетворювачів ПАХ з трактом радіосигналу та використана для оптимізації параметрів акустичних мікросхем.

3. Створений нами програмно-апаратний комплекс, в якому кількісний аналіз фундаментального прояву електрофізичних параметрів напівпровідника в спектрах фотолюмінісценції поєднаний з двокоординатною цифровою реєстрацією спектральної інформації, суттєво розширює можливості безконтактного та неруйнівного контролю гетероструктур. Він вперше у промисловому виробництві оптоелектронних приладів пройшов ґрунтовну апробацію на стадіях міжопераційного та вихідного контролю та надав можливість картографувати напівпровідникові структури, що вирощувались методами молекулярно-променевої та МОС гідридної епітаксії.

4. З'ясовано, що контроль лінійності ват-амперної характеристики випромінювача може бути швидким та надійним засобом визначення якості напівпровідникового лазерного діода при його використанні для досліджень процесів нелінійної фотон-фононної взаємодії хвиль та з точки зору його застосовності в акустооптичній апаратурі. Експресна методика базується на експериментально встановленій нами кореляції між симетрією тіла випромінювання й рівнем стаціонарності спектрів лазерної генерації та характером ват-амперних характеристик випромінювання.

5. Експериментально доведено, що інтегральне виконання акустооптичного пристрою дозволяє підвищити дифракційну ефективність у 200 - 600 разів у порівнянні з відбиттям від поверхні з ПАХ та брегівською коміркою на об'ємних акустичних хвилях. У повній відповідності до розрахунків за фіксованої напруги на електродах V=20 В у ґратці із періодом штирів 5 мкм в експерименті спостерігалося 100 % перетворення введеної лазерної потужності у дифракційний максимум за повного придушення нульового порядку.

6. Розроблено новий спосіб контролю ефективної товщини планарного оптичного хвилеводу, який заснований на вимірюванні спектрів КР відбиття від поверхні досліджуваних зразків (а.с.1224776).

7. Отримала подальший розвиток наша оригінальна методика дисперсійного аналізу діелектричної проникності за спектрами КР нецентросиметричних кристалів, в якій вперше враховане фононне загасання. За експериментальними даними частот та ширини ліній КР вперше кількісно встановлені границі областей існування від'ємної діелектричної проникності в кристалах LiNbO3, LiTaO3 та LiJO3. Визначені смуги частот, в яких <0, з'ясоване існування в межах цих смуг спільних інтервалів для обох головних напрямів поляризації електромагнітної хвилі, що однозначно вказує на можливість використання таких сполук для синтезу метаматеріалів у терагерцовому діапазоні частот.

8. Вперше встановлено два фундаментальних обмеження смуги робочих частот електрооптичних пристроїв в LiNbO3. Визначена область 0 - 100 см-1, у якій дисперсія електрооптичних коефіцієнтів відсутня і тому верхня гранична частота, яка обмежує смугу робочих частот інтегральних електрооптичних пристроїв, складає 3 ТГц. Другим фундаментальним обмеженням смуги робочих частот є значення 300 ГГц, нижче від якого загасання хвилі модуляції в LiNbO3 1 дБ/см.

9. Вперше проаналізовано фізичні наслідки бездипольного характеру КР активних коливань, які формують профіль КР підсилення у кварцових волокнах, їх вплив на формування кубічної нелінійності волокон та відмінності від фізики процесів СКР у модельних нецентросиметричних кристалах, які визначають природу їх квадратичної нелінійності. Показано, що коливна система ізотропного матеріалу кварцового скла створює своєрідний фільтр для шумів теплового випромінювання при ВКР підсиленні світла.

10. За результатами нашого аналізу фізики нелінійних процесів фотон-фононної взаємодії в аморфній серцевині кварцових волокон розроблено два нових методи спектроскопічного моделювання вимушеного комбінаційного підсилення світла - актуальної смуги та багатомодової декомпозиції профілю ВКР підсилення. Завдяки високій точності моделі багатомодової декомпозиції (відхилення <1%) нами вперше отримано кількісні оцінки ряду параметрів підсилення у волокнах - порогових умов зародження підсилення, режиму повної прозорості й лазерної генерації, смуги підсилення, спектральної щільності оптичного шуму, величини групової затримки у ВКРП з багато хвильовою накачкою, які мають принципове значення для оптимізації підсилювачів та для створення відповідних пристроїв корекції. Показано, що за потужності помпування 200 мВт у стандартному кварцовому волокні смуга підсилення складає 6,7 ТГц, а для волокна типу TrueWave RSTM та для DCF волокон перевищує 10 ТГц (відповідно 10,2 ТГц та 17 ТГц).

11. Запропоновано оригінальну схему багатохвильової накачки для ВКРП, яка розширює смугу підсилення від C-діапазону до C+L-діапазонів із підтриманням мінімальної нерівномірності підсилення <0,5 дБ в загальній смузі частот 10,2 ТГц.

12. Вперше проведено спеціальні експериментальні дослідження оптичного шуму підсиленого спонтанного випромінювання (ПСВ) у волоконних комбінаційних підсилювачах. Шляхом прямих вимірювань зміни абсолютних значень спектральної густини оптичного стоксового шуму від потужності ВКР помпування з'ясовано, що спектри ПСВ у кварцових волокнах мають яскраво виражений характер СКР світла в усій області стоксових зсувів від 0 до 1400 см-1. Спонтанний характер ПСВ підтверджений специфічним для СКР підйомом низькочастотних складових у спектрі та даними прямих вимірювань абсолютного перерізу стоксового випромінювання, що змінюється від (2,75 0,08)10-6 при потужності ЛД накачки 100 мВт до (4,3 0,2)10-6 при потужності накачки 300 мВт. Встановлено, що квантова ефективність ПСВ зростає всього на ~40% (1,9 дБ) при зміні потужності накачки у 3 рази - від 100 до 300 мВт, тоді як підсилення когерентного сигналу досягає 20 дБ (зростання потужності у 100 разів).

Список публікацій автора за темою дисертації

1. Коротков П.А., Фелінський Г.С. Волоконні ВКР лазери неперервної дії // УФЖ. Огляди. - 2006. - T.3, № 2. - C. 126-150.

2. Осинский В.И., Рыжков М.П., Фелинский Г.С.. Лазерная фотолюминесцентная диагностика и картографирование структур арсенида галлия // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.- 1993. -вып.26.- С.18-30.

3. Фелінський Г.С. Експериментальні дослідження напівпровідникових лазерних діодів для акусто-оптичних процесорів НВЧ радіосигналів // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. - 2007.- № 1.- С.284-291.

4. Вознесенский В.А., Гассанов Л.Г., Фелинский Г.С. Интегральные оптические компоненты на основе акустооптической дифракции в микроволноводах // Изв. вузов МВ ССО СССР. Радиоэлектроника - 1984 - т.27, №8 - с.9-16.

5. Андрушко Л.М., Вознесенский В.А., Фелинский Г.С. Дифракция поверхностных оптических волн на термостимулированной фазовой решетке в титан-диффузном волноводе в ниобате лития. // ЖТФ -1987 - т.57, №1 - С.176-177.

6. Андрушко Л.М., Вознесенский В.А., Тариелашвили Г.Т., Фелинский Г.С. Исследование дифракции оптического излучения на термостимулированной решетке в планарных микроволноводах. // УФЖ - 1987 - т.32, №9 - С.1345-1349.

7. Островский И.В., Семенко А.И., Паламарчук А.А., Половина А.И., Фелинский Г.С. Акустоэлектрическая инжекция под действием поверхностных волн // УФЖ. - 1983.- т.28. - №1. - С.143-144.

8. Коротков П.А., Фелинский Г.С. Численный анализ спектров комбинационного рассеяния на полярных фононах в нелинейных кристаллах // Сб. научных трудов Ин-та физики АН УССР «Спектроскопия конденсированных сред»: Редкол. М.Т.Шпак (отв. ред.) и др. - Киев : Наук. думка. 1988.- 172 с. - ISBN 5-12-000314-1. - C.69-73.

9. Коротков П.А., Фелінський Г.С. Дослідження області від'ємної діелектричної проникності середовищ без центру інверсії // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. - 2008.- № 2. - С.162-171.

10. Коротков П.А., Фелінський Г.С. Аналіз спектрів комбінаційного розсіяння кристала ніобату літію та аморфних кварцових волокон // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. - 2007.- № 2.- С. 263-270.

11. Коротков П.А., Фелінський Г.С. ВКР підсилення світла в одномодових волокнах та його застосування у фотоніці // Нові технології. - 2008. - №1(19).-С.133-142.

12. Коротков П.А., Фелінський Г.С. Особливості виникнення ВКР підсилення монохроматичного світла в кварцових одномодових волокнах // УФЖ. -2007.-т.52.- № 4.- С.335-345.

13. Felinskyi G.S., Han Y.G., Lee S.B. Spectroscopic Analysis of Gain Bandwidth in Raman Amplifier with Multiwavelength Pumping Scheme Using Actual Band Model // J. Opt. Soc. Korea. - 2004.-Vol.8, No.4.- P.156-162.

14. Felinskyi G.S., Korotkov P.A. Actual band model for design of optical fiber Raman amplifier with multiwave pumping // Proc. SPIE/Ukraine.- 2006.- Vol. 6, N1-6.- P.409-417.

15. Felinskyi G.S. Spectroscopic methods of active SRS photonics devices modeling for telecommunication systems with terabyte velocity // Photoelectronics. - 2008.-v.17. - P. 18-22.

16. Felinskyi G.S. Spectroscopic multiple-vibrational-modeling of Raman gain for FRA design // Proc. SPIE/Ukraine. - 2006.- Vol. 6, No. 1-6.- P. 418-426.

17. Коротков П.А., Фелінський Г.С. Режим абсолютної прозорості одномодових кварцових волокон при ВКР підсиленні світла // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. - 2007.- № 3. - С.237-244.

18. Felinskyi G.S., Korotkov P.A. Raman threshold and optical gain bandwidth in silica fibers // Semicond. Phys., Quant. Electron, & Optoelectronics. - 2008.-Vol.11, N4. - P. 360-363.

19. Felinskyi G.S., Korotkov P.A. Simulation of multiwave pumped fiber Raman amplifiers // Semicond. Phys., Quant. Electr. & Optoelectr. - 2006.-v.9. N3.- P. 83-93.

20. Коротков П.А., Фелінський Г.С. ВКР підсилювач світла з терагерцовою смугою робочих частот // Вісник Київського університету. Серія: Радіофізика та електроніка. -2008.- №11.- С.37-44.

21. Felinskyi G.S., Korotkov P.A. Optical-fibre Raman amplifiers with 6.3-12.2 THz working band // Photoelectronics. - 2008.-v.17.- P. 76-80.

22. Фелінський Г.С. Шуми спонтанного випромінювання у ВКР підсилювачах з терагерцовою смугою робочих частот // Нові технології. - 2008.- №3(21). - С. 72-80.

23. Felinskyi G.S. Noise measurements of the backward pumped distributed fiber Raman amplifier // Photoelectronics. - 2009.- v.18. - P.9-15.

24. Коротков П.А., Фелінський Г.С. ВКР підсилення світла в одномодових кварцових волокнах // УФЖ. Огляди. - 2009. - т.5, № 2. - C. 103-169.

25. Коротков П.А., Фелінський Г.С.. Декомпозиція та моделювання спектра КР підсилення в одномодових оптичних волокнах // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки. - 2009. - № 2. - C.190-199.

Анотації

фотонний світло оптичний акустичний

Фелінський Г.С. Нелінійна фотон-фононна взаємодія та когерентні процеси в оптичних хвилеводах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2009.

Дисертація присвячена комплексним дослідженням фізичних процесів нелінійної фотон-фононної взаємодії при розсіянні та дифракції світла відповідно на оптичних та акустичних фононах, впливів фононних коливань на формування діелектричних та нелінійних властивостей матеріалу світловодів, протіканню когерентних процесів в оптичних хвилеводах, в тому числі при дифракції мод планарних хвилеводів на акустичних хвилях, і а також при ВКР генерації та підсиленні світла в оптичних волокнах на фоні стохастичного стоксового шуму.

В дисертаційній роботі наведені результати дослідження динаміки фононних систем за нелінійної взаємодії лазерного випромінювання з молекулярними коливаннями в оптичних хвилеводах. Викладено експериментальні методики та результати досліджень фотон-фононної взаємодії, застосованих у лазерній діагностиці параметрів технологічних процесів створення пристроїв оптоелектроніки та інтегральної акустооптики. Розглянуті фізичні особливості когерентної взаємодії лазерного випромінювання з нелінійними збуреннями діелектриків та оптичних хвилеводів, методологія їх числового моделювання, а також результати експериментальних випробувань пристроїв для обробки радіосигналів. Використовуючи методи спектроскопії комбінаційного розсіяння, з'ясовані головні фізичні механізми, що пов'язані з впливом полярних коливань оптичної гілки на формування лінійних діелектричних властивостей та квадратичної нелінійності в кристалах без центру інверсії. Проаналізовані головні фізичні відмінності, що супроводжують утворення кубічної нелінійності в аморфному матеріалі кварцового скла оптичних волокон, у порівнянні з модельними нелінійними кристалами. Представлено оригінальну методику спектроскопічного моделювання процесів нелінійної фотон-фононної взаємодії, а також результати її застосування при аналізі комбінаційного підсилення оптичного випромінювання в одномодових волокнах із терагерцовою смугою робочих частот. На основі прямих вимірювань підсиленого спонтанного випромінювання в реальному волоконному ВКР підсилювачі світла встановлені фізичні причини величезного перевищення підсилення потужного когерентного сигналу над підсиленням слабкого некогерентного оптичного шуму у номінальних режимах потужності накачки. Проаналізовані наслідки конкуренції мод, яка проявляється в нелінійному процесі ВКР, і призводить до збільшення відношення сигнал/шум на виході розподіленого оптичного підсилювача у порівнянні із випадком відсутності ВКРП, в результаті чого виникає радикальне зменшення коефіцієнта шуму такого підсилювача

Ключові слова: взаємодія лазерного випромінювання з речовиною, нелінійна оптика, оптична спектроскопія, оптоелектроніка

Фелинский Г.С. Нелинейное фотон-фононное взаимодействие и когерентные процессы в оптических волноводах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2009.

Диссертация посвящена комплексным исследованиям физических процессов нелинейного фотон-фононного взаимодействия при рассеянии и дифракции света соответственно на оптических и акустических фононах. Исследовано влияние фононных колебаний на формирование диэлектрических и нелинейных свойств материала световодов, протекание когерентных процессов в оптических волноводах, в том числе при дифракции мод планарных волноводов на акустических волнах, а также при ВКР генерации и усилении света в оптических волокнах на фоне стохастического стоксового шума.

В диссертационной работе приведены результаты исследования динамики фононных систем при нелинейном взаимодействии лазерного излучения с молекулярными колебаниями в оптических волноводах. Изложены экспериментальные методики и результаты исследований фотон-фононного взаимодействия, примененных в лазерной диагностике параметров технологических процессов создания устройств оптоэлектроники и интегральной акустооптики. Рассмотрены физические особенности когерентного взаимодействия лазерного излучения с нелинейными возмущениями диэлектриков и оптических волноводов, методология их численного моделирования, а также результаты экспериментальных испытаний устройств для обработки радиосигналов. Используя методы спектроскопии комбинационного рассеяния, выяснены главные физические механизмы, связанные с влиянием полярных колебаний оптической ветви на формирование линейных диэлектрических свойств и квадратичной нелинейности в кристаллах без центра инверсии. Проанализированы главные физические отличия, сопровождающие возникновение кубической нелинейности в аморфном материале кварцевого стекла оптических волокон, в сравнении с модельными нелинейными кристаллами. Представлена оригинальная методика спектроскопического моделирования процессов нелинейного фотон-фононного взаимодействия, а также результаты ее применения при анализе комбинационного усиления оптического излучения в одномодовых волокнах с терагерцовой полосой рабочих частот. На основе прямых измерений усиленного спонтанного излучения в реальном волоконном ВКР усилителе света установлены физические причины огромного превышения усиления мощного когерентного сигнала над усилением слабого некогерентного оптического шума в номинальных режимах мощности накачки. Проанализированы последствия конкуренции мод, проявляющейся в нелинейном процессе ВКР, которые влекут за собой увеличение соотношения сигнал/шум на выходе распределенного оптического усилителя в сравнении со случаем отсутствия ВКРУ, в результате чего возникает радикальное уменьшение коэффициента шума такого усилителя.

Ключевые слова: взаимодействие лазерного излучения с веществом, нелинейная оптика, оптическая спектроскопия, оптоэлектроника.

Felinskyi G.S. Nonlinear photon-phonon interaction and coherent processes in optical waveguides. - Manuscript.

Doctoral degree thesis in the branch of physics and mathematics sciences by specialty 01.04.05 - optics, laser physics. - Taras Shevchenko National University of Kyiv, Kyiv, 2009.

The dissertation is devoted to comprehensive research of physical processes due to nonlinear photon - phonon interaction at light scattering and diffractions on the optical and acoustic phonons respectively. The influence of phonon vibrations on the dielectric and nonlinear properties formation of the material of optical waveguides, the coherent processes results in optical waveguides including both the planar waveguide mode diffraction on the acoustic waves and the Raman lasing and light amplification in the optical fibers above the stochastic Stokes hum noise are investigated.

The research results on phonon systems dynamics at nonlinear interaction of laser radiation with molecular vibrations in optical waveguides are presented in dissertational work. Experimental techniques and research results of the photon - phonon interaction, applied in laser diagnostics of the technological process parameters for creation of optoelectronics and integrated acousto-optic devices are stated. Physical features of coherent interaction of laser radiation with nonlinear perturbation of dielectrics and optical waveguides, methodology of their numerical modeling, and also experimental test results of devices for processing radio signals are considered. The common physical mechanisms connected with influence of optical polar vibrations on formation of linear dielectric properties and quadratic nonlinearity in crystals without the inversion center is found out using the Raman spectroscopy methods. The main physical differences accompanying occurrence of cubic nonlinearity in amorphous material of a silica glass of optical fibers, in comparison with modeling nonlinear crystals are analyzed. The original technique of spectroscopic modeling of nonlinear photon - phonon interaction processes, and also its application results are submitted at the analysis of Raman amplification of optical radiation in single mode fibers with terahertz frequencies working band. The physical reasons of huge excess of amplification of a powerful coherent signal above amplification of weak non coherent optical noise in nominal pumping power mode are established on the basis of direct measurements of amplified spontaneous emission in the real fiber Raman amplifier. Consequences of a modes concurrence appeared in nonlinear stimulated Raman process which entail increase in the signal to noise ratio at output of the distributed optical amplifier in comparison with a case of amplifier absence are analyzed and therefore there is a radical reduction of noise figure of such amplifier.

Key words: Lasing interaction with substance, nonlinear optics, optical spectroscopy, optoelectronics.

Размещено на Allbest.ru