Оптический усилитель на основе продольно неоднородного фотонно-кристаллического волокна

Полезная модель относится к области оптики, в частности к технике оптических волоконных усилителей. Оптический волоконный усилитель лазерных импульсов, включающий, устройство ввода сигнального импульса, оптическое волокно с нормальной дисперсией групповых скоростей, легированное редкоземельными ионами, источник накачки, мультиплексор, через который к легированному редкоземельными ионами оптическому волокну подключаются источник накачки и устройство ввода сигнального импульса, устройство вывода усиленного импульса, отличающийся тем, что легированное редкоземельными ионами оптическое волокно является фотонно-кристаллическим, у которого отношение параметра нормальной дисперсии групповых скоростей к параметру нелинейности экспоненциально растет по длине волокна. Использование фотонно-кристаллического волокна позволяет осуществлять усиление в различных диапазонах длин волн. Отличительное свойство легированного фотонно-кристаллического волокна обеспечивает пониженный уровень частотной модуляции усиливаемого импульса. Вследствие этого усиление осуществляется более эффективно, так как достижение спектром импульса пределов спектральной полосы усиления происходит при более высоких значениях энергии импульса.

Полезная модель относится к области оптики, в частности к технике оптических волоконных усилителей.

Известна полезная модель оптоволоконной системы для усиления лазерных импульсов (патент РФ 120285 от 10.09.2012 г. авт. Золотовский И.О., Семенцов Д.И., Коробко Д.А., Новиков С.Г., Охотников О.Г., Сысолятин А.А., Фотиади А.А.) состоящей из 1) источника пикосекундных импульсов; 2) источника накачки; 3) оптического волокна легированного редкоземельными ионами, причем значение дисперсии групповых скоростей в волокне экспоненциально растет по длине волокна; 4) устройства вывода, в котором усиленный импульс дополнительно подвергается компрессии.

Данное изобретение взято в качестве прототипа.

Принцип действия прототипа заключается в следующем.

Известно (Agrawal G., Nonlinear fiber optics (Springer, fourth edition, 2007, 530 p.), что распространение ультракоротких импульсов в активном нелинейном оптическом волокне, описывается нелинейным уравнением Шредингера (НУШ) с усилением:

.

Здесь А(z,) - медленно меняющаяся амплитуда импульса, D - дисперсия групповых скоростей (ДГС) волокна, - коэффициент керровской (кубической) нелинейности и g - коэффициент усиления световода по мощности, z - координата импульса в волноводе, - время в сопутствующей импульсу системе координат.

Известно, что огибающая ультракороткого лазерного импульса, усиливающегося в оптическом волокне с постоянным коэффициентом усиления и постоянной нормальной ДГС, асимптотически стремится к параболическому виду, масштабирующемуся с ростом координаты импульса (Patent US 2004/0028326 A1, Fermann et al). В этом случае принято говорить о самоподобном (симиляритонном) усилении импульса. Характерной чертой этого процесса является приобретение импульсом постоянной скорости частотной модуляции

.

При этом длительность симиляритонного импульса экспоненциально растет по длине усилителя

.

Ширина спектра частотно-модулированного усиливаемого симиляритонного импульса

также экспоненциально растет по длине усилителя. Из-за того что накачка обеспечивает усиление только в пределах ограниченной спектральной полосы, по мере распространения импульса эффективность усиления падает, так как спектральные компоненты импульса, близкие к границам спектральной полосы усиления, усиливаются в значительно меньшей степени чем компоненты в середине спектра.

Для повышения эффективности усиления в полезной модели-прототипе предложено осуществлять усиление в волоконном световоде с растущим экспоненциально по длине световода коэффициентом нормальной ДГС и постоянным по длине световода коэффициентом нелинейности . Скорость частотной модуляции усиливаемого импульса определяется в этом случае не коэффициентом усиления, а коэффициентом

.

Таким образом, в усиливающем волоконном световоде с инкрементом роста дисперсии, близком к коэффициенту усиления, скорость частотной модуляции может быть значительно снижена. В асимптотике для ширины спектра усиливаемого импульса справедливо выражение

,

то есть в этом случае ширина спектра импульса также растет значительно медленнее. Это позволяет в усиливающем волоконном световоде с растущей экспоненциально ДГС передавать импульсу бОльшую энергию, чем в световоде с постоянной по длине ДГС той же длины и равным коэффициентом усиления.

В прототипе предложено реализовать усиливающий световод с растущей дисперсией на основе кварцевых оптических волокон с радиальным «W»-профилем показателя преломления (У.Г. Ахметшин, В.А. Богатырев, А.К. Сенаторов, А.А. Сысолятин, М.Г. Шалыгин, Квант. Электроника. - 2003. Т. 33. С. 265-267).

Существенным недостатком прототипа является то, что кварцевые оптические волокна с радиальным «W»-профилем показателя преломления используются только в телекоммуникационном диапазоне длин волн (около 1550 нм) и не могут быть использованы для усиления излучения в другом диапазоне, например, в области длин волн около 1060 нм. Данная область особенно перспективна для получения импульсов высокой энергии, из-за наличия мощных источников накачки и хорошо разработанной технологии легирования оптических волокон ионами Ib³⁺, позволяющих достигать высоких коэффициентов усиления.

Для устранения указанного недостатка предлагается данная полезная модель.

Цель: обеспечить эффективное усиление импульсов за счет снижения скорости уширения спектра импульса в волоконно-оптическом усилителе.

Технический результат: получить эффективное усиление в области длины волны 1060 нм.

Технический результат достигается за счет использования усиливающего световода на основе легированного Ib³⁺ фотонно-кристаллического волокна с экспоненциально возрастающим по длине отношением параметра нормальной ДГС к параметру нелинейности.

Описание полезной модели.

Фотонно-кристаллические (ФК) волокна представляют собой кварцевую или стеклянную микроструктуру с периодической системой воздушных отверстий, ориентированных вдоль оси волокна. Дефект структуры, заключающийся в отсутствии отверстия в центре, служит сердцевиной волокна, обеспечивая волноводный режим распространения для излучения. Волноводные свойства световода на основе ФК волокна, т.е. рабочий диапазон, величина параметров ДГС и нелинейности могут изменяться в широком диапазоне при изменении параметров микроструктуры - диаметра отверстий и расстояния между ними. В частности, известна технология создания усиливающих световодов в области длины волны 1060 нм на основе ФК волокна, легированного ионами Ib³⁺ (О.Н. Егорова, С.Л. Семенов, В.В. Вельмискин, М.Ю. Салганский, М.В. Яшков, А.Н. Гурьянов, Е.М. Дианов, «Одномодовый волоконный световод с фотонной запрещенной зоной и сердцевиной из кварцевого стекла, легированного ионами иттербия» Квант. электрон. - 2010. Т. 40. С. 1137-1140.).

Световоды на основе ФК волокон отличаются от используемых в прототипе кварцевых волокон с радиальным «W»-профилем показателя преломления тем, что позволяют в широком диапазоне варьировать по длине не только параметр ДГС, но и параметр нелинейности, определяемый в свою очередь параметрами площади моды и площади эффективной моды. Это значительно расширяет семейство ФК волокон, на основе которых могут быть изготовлены усиливающие световоды, обеспечивающие пониженную скорость уширения спектра усиливаемого импульса. В отличие от прототипа применение ФК волокон позволяет использовать не только световоды с постоянной по длине нелинейностью и экспоненциально возрастающей нормальной ДГС, но и световоды, в которых ДГС и нелинейность непостоянны, а экспоненциально возрастает отношение параметра нормальной ДГС к параметру нелинейности . Коэффициент , определяющий в этом случае скорость частотной модуляции и скорость уширения спектра импульса, можно записать как

.

На Фиг. 1 показаны профили изменения по длине ФК волокна параметров ДГС и нелинейности, обеспечивающих различные значения параметра при заданном коэффициенте усиления в световоде на основе легированного ФК волокна. Профили, соответствующие одному ФК волокну, обозначены одинаковыми цифрами.

Технология изготовления ФК волокон с заданным распределением параметров дисперсии и нелинейности по длине известна (Tse M. L. V., P. Horak, F. Poletti, and D.J. Richardson. Designing tapered holey fibers for soliton compression // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2008. - Т. 44. - С. 192-198.). Это позволяет изготовить легированные ионами Ib³⁺ ФК волокна с экспоненциально возрастающим по длине отношением параметра нормальной ДГС к параметру нелинейности и создать оптический усилитель в рабочем диапазоне длин волн 1060 нм, обеспечивающий эффективное усиление импульсов за счет снижения скорости уширения спектра импульса при усилении.

На Фиг. 2 представлена схема оптического волоконного усилителя лазерных импульсов, включающего, устройство ввода сигнального импульса, оптическое волокно с нормальной дисперсией групповых скоростей, легированное редкоземельными ионами, источник накачки, мультиплексор, через который к легированному редкоземельными ионами оптическому волокну подключаются источник накачки и устройство ввода сигнального импульса, устройство вывода усиленного импульса, отличающийся тем, что легированное редкоземельными ионами оптическое волокно является фотонно-кристаллическим, у которого отношение параметра нормальной дисперсии групповых скоростей к параметру нелинейности экспоненциально растет по длине волокна.

Оптический волоконный усилитель лазерных импульсов, включающий устройство ввода сигнального импульса, оптическое волокно с нормальной дисперсией групповых скоростей, легированное редкоземельными ионами, источник накачки, мультиплексор, через который к легированному редкоземельными ионами оптическому волокну подключаются источник накачки и устройство ввода сигнального импульса, устройство вывода усиленного импульса, отличающийся тем, что оптическое волокно является фотонно-кристаллическим, легировано ионами Ib³⁺ , при этом отношение параметра нормальной дисперсии групповых скоростей к параметру нелинейности экспоненциально растет по длине волокна.