1.4. СТРУКТУРА КНИГИ

Цель этой книги - дать всесторонний обзор нелинейных явлений в оптических волокнах. Расположение материала не соответствует хронологическому порядку, в котором разные нелинейные эффекты были впервые изучены в волоконных световодах. Г лавы расположены чтобы по возможности сделать минимальными повторения.

В частности, в гл. 1-3 даются обзорный материал и математический аппарат, необходимый для понимания разных нелинейных эффектов.

- В гл. 4-7 обсуждаются нелинейные эффекты, приводящие к спектральному и временным изменениям оптической волны, не изменяя ее энергии. В гл. 8-10 рассматриваются нелинейные эффекты генерации новых оптических волн по средствам передачи им энергии волн накачки. Ниже следует краткий обзор каждой главы, дающий представление о содержании книги.

В гл. 2 развит математическии аппарат, необходимый для теоретического понимания нелинейных явлений в волоконных световодах. Начинается теоретическое описание уравнениями Максвелла; далее при обсуждении мод световода и получении основного уравнения для распространения амплитуды огибающей импульса используется волновое уравнение в нелинейной среде с дисперсией. При выводе уравнения отмечаются производимые приближения. Затем обсуждаются численные методы, используемые при решении основного уравнения распространения; особенно выделяется фурье-метод с разделением по физическим факторам.

Г лава 3 посвящена дисперсионным эффектам, которые возникают, когда вводимая мощность и длина световода таковы, что нелинейными эффектами можно пренебречь. Главным образом действие дисперсии групповых скоростей (ДГС) состоит в уширении оптического импульса при его распространении в волокне. Такое вызванное дисперсией уширение рассматривается для нескольких форм импульса; уделяется особое внимание действию частотной модуляции, наведенной на входном импульсе. Обсуждаются также дисперсионные эффекты высших порядков, важные вблизи длины волны нулевой дисперсии световода.

В гл. 4 рассматривается нелинейное явление фазовой самомодуляции ФСМ, являющееся результатом зависимости показателя преломления от интенсивности. Главным образом действие ФСМ состоит в уширении спектров оптических импульсов, распространяющихся в световоде. Если ФСМ и ДГС действуют совместно в оптическом волокне, то их действие сказывается также и на форме импульса. Особенности спектрального уширения наводимого ФСМ без эффекта ДГС и с ним обсуждаются в отдельных разделах. Также рассматриваются нелинейные и дисперсионные эффекты высших порядков, важность которых нарастает, когда импульсы становятся короче

Г лава 5 посвящена оптическим солитонам, привлекающим особое внимание благодаря их фундаментальным свойствам, а также, в перспективе, применениям в волоконно-оптической связи. В начале главы рассматривается эффект модуляционной неустойчивости, чтобы подчеркнуть важность взаимного влияния дисперсионных и нелинейных эффектов, которое может иметь место в области аномальной ДГС оптических волокон. Затем вводится понятие фундаментального

солитона и солитонов высших порядков; для решения основного уравнения распространения, известного как нелинейное уравнение Шредингера, используется метод обратной задачи рассеяния. Применениям солитонов в солитонных лазерах и в оптических солитонных системах связи посвящаются два раздела. В заключение рассматриваются нелинейные и дисперсионные эффекты высшего порядка, приводящие к распаду солитонов.

В гл. 6 рассматривается сжатие импульсов, важное с технологической точки зрения, так как это нелинейное явление было использовано для получения импульсов длительностью Используются два типа оптических компрессоров в зависимости от того, длина волны больше или меньше длины волны нулевой дисперсии волокна. В видимой и ближней инфракрасной областях мкм) оптические импульсы можно сжимать в волоконнорешеточном компрессоре до 100 раз. Подробно обсуждаются теория и конструкция таких компрессоров. В области длин волн 1,3-1,6 мкм в компрессорах, основанных на солитонном эффекте, можно сжимать оптические импульсы в раз, используя фундаментальное свойство солитонов высших порядков. Сочетая эти два метода сжатия в области длин волн вблизи 1,3 мкм и используя световод со смещенной дисперсией, можно получить сжатие в раз. Дается обзор экспериментальных достижений в этой области, а также теория компрессоров, основанных на солитонном эффекте.

В гл. 7 сосредоточено внимание на эффекте фазовой кроссмодуляции ФКМ, которое возникает, когда два оптических поля распространяются одновременно и действуют друг на друга посредством зависимости показателя преломления от интенсивности. Нелинейная связь, вызванная ФКМ, может иметь место, не только когда два излучения на разных длинах волн вводятся в волокно, но также и вследствие взаимодействия между ортогонально поляризованными компонентами одного излучения в двулучепреломляющем световоде. Рассмотрению последнего случая предшествует рассмотрение таких нелинейных эффектов, как оптический эффект Керра и вызванное двулучепреломлением изменение формы импульса. Нелинейное двулучепреломление ведет к поляризационной неустойчивости, так как длина биений в световоде становится зависимой от интенсивности. Обсуждается также его воздействие на оптические солитоны. В следующих двух разделах рассмотрен случай, когда в световод вводится излучение на двух разных длинах волн. Индуцируемая ФКМ-связь этих двух излучений может вызвать модуляционную неустойчивость в области нормальной дисперсии групповых скоростей световода. Эффект ФКМ, рассматриваемый в комбинации с эффектами ФСМ и ДГС. может привести к несимметричным спектральным и временным изменениям. Вслед за этим рассматривается взаимодействие между волнами, распространяющимися

навстречу друг другу, появляющееся вследствие ФКМ, и отмечается в этой связи важность ФКМ для оптического волоконного гироскопа. В последней части обсуждаются применения ФКМ для волоконно-оптической связи.

В гл. 8 рассмотрено вынужденное комбинационное рассеяние ВКР явление генерации стоксовой волны (смещенной на в поле волны накачки при распространении накачки в световоде. Это происходит, только когда мощность накачки превышает пороговый уровень. Сначала обсуждаются усиление и порог вынужденного комбинационного рассеяния. Затем в двух отдельных разделах описывается ВКР для случая непрерывной или квазинепрерывной накачки и для случая сверхкоротких импульсов накачки. В последнем случае сочетание ФСМ, ФКМ и ДГС приводит к качественно новым особенностям. Эти особенности могут быть совершенно разными в зависимости от того, находится накачка в области нормальной или аномальной ДГС. Случай аномальной ДГС рассматривается в последнем разделе, особенно выделены волоконно-оптические ВКР-лазеры. Также обсуждаются применения ВКР-усилителей в волоконно-оптической связи.

Глава 9 посвящена ВРМБ, которое проявляется в волоконных световодах подобно ВКР, но с важными отличиями. ВРМБ преобразует часть энергии накачки в стоксовых волнах, распространяющуюся во встречном направлении и смещенную по частоте всего на Из-за малой ширины линии ВРМБ-усиления (~ 10 МГц) ВРМБ возникает эффективно только при непрерывной накачке или накачке импульсами, имеющими спектральную ширину меньше ширины линии усиления. Сначала описаны характеристики ВРМБ-усиления в кварцевых световодах. Затем изложена теория ВРМБ. рассматривающая такие вопросы, как порог ВРМБ, истощение накачки и насыщение усиления. Обсуждаются также связанные с ВРМБ неустойчивости. В обсуждении экспериментальных результатов особое внимание уделено волоконным ВРМБ-лазерам и усилителям. Последний раздел посвящается применениям ВРМБ для волоконно-оптической связи.

В гл. 10 рассмотрены параметрические процессы, при которых происходит обмен энергиями между несколькими оптическими волнами без активного участия нелинейной среды. Параметрические процессы эффективно происходят, только когда выполнено условие фазового синхронизма. Эти условия относительно легко выполнить для нелинейного процесса четырехволнового смешения И ему посвящена основная часть главы. Теория параметрического усиления следует из рассмотрения нелинейного взаимодействия четырех волн. Подробно обсуждаются экспериментальные результаты и способы получения фазового синхррнизма. Вслед за этим рассматриваются параметрическое усиление и его применения. Последний раздел

посвящен генерации второй гармоники в световодах - явлению, которое привлекло недавно большое внимание из-за его важных технологических применений.