Глава 6. СЖАТИЕ ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

Одним из важнейших применений нелинейных эффектов в волоконных световодах является сжатие оптических импульсов; экспериментально были получены импульсы длительностью вплоть до 6 фс. В данной главе рассмотрены методы компрессии импульсов, их теоретические и экспериментальные аспекты. В разд. 6.1 изложена основная идея, представлены два вида компрессоров, обычно используемых для сжатия импульсов, - волоконно-решеточные компрессоры и компрессоры, основанные на эффекте многосолитонного сжатия. В волоконно-решеточном компрессоре используется отрезок волоконного световода с положительной дисперсией групповых скоростей, за которым следует дисперсионная линия задержки с отрицательной дисперсией групповых скоростей, представляющая собой пару дифракционных решеток. Дисперсионная линия задержки рассмотрена в разд. 6.2, в то время как в разд. 6.3 представлены теория и обзор экспериментальных результатов. В компрессорах, основанных на эффекте многосолитонного сжатия, используются солитоны высших порядков, которые существуют в световоде благодаря совместному действию фазовой самомодуляции (ФСМ) и отрицательной дисперсии. Теория такого компрессора представлена в разд. 6.4, далее следуют экспериментальные результаты. Следует отметить, что в одном из экспериментов по компрессии оптические импульсы были сжаты в 5000 раз; при этом была использована двухкаскадная схема сжатия, в которой за волоконно-решеточным компрессором следовал оптимизированный компрессор, основанный на эффекте многосолитонного сжатия.

6.1. ВВЕДЕНИЕ

Идея, лежащая в основе компрессии оптических импульсов, заимствована из физики сканирующих радаров, где импульсы на микроволновых частотах, имевшие частотную модуляцию, сжимались, проходя через дисперсионную линию задержки [1]. Физический механизм компрессии можно понять, обратившись к разд. 3.2, где рассматривается распространение импульсов с частотной модуляцией в линейной диспергирующей среде.

Такая среда при распространении по ней импульса вызывает свипирование его частоты, обусловленное дисперсией. Если начальная частотная модуляция противоположна по знаку частотной модуляции за счет дисперсии групповых скоростей, возможно их взаимное сокращение, что приводит к тому, что конечный импульс становится короче начального. Так как частотная модуляция, вызванная дисперсией, линейна [см уравнение (3.2.13)], то для максимального сжатия начальный импульс должен иметь линейную частотную модуляцию. Более того, точная компенсация частотной модуляции происходит только на определенной длине [см уравнение (3.2.19)]. Во временном представлении процесс сжатия можно представить следующим образом. При наличии дисперсии групповых скоростей различные частотные компоненты распространяются с разными скоростями. Если передний фронт импульса задержать должным образом (так, чтобы он приходил одновременно с задним фронтом), выходной импульс сжимается. Для сжатия импульса с положительной частотной модуляцией (частота нарастает к заднему фронту) требуется отрицательная дисперсия групповых скоростей; при этом длинноволновый передний фронт замедляется. С другой стороны, для импульса с отрицательной частотной модуляцией требуется положительная дисперсия, для того чтобы замедлить коротковолновый передний фронт.

В ранних работах по сжатию оптических импульсов [2 10] использовались как положительная, так и отрицательная дисперсии в зависимости от того, как на импульс накладывалась начальная частотная модуляция. В случае отрицательной частотной модуляции [3] средой с положительной дисперсией служили жидкости или газы. В случае положительной частотной модуляции оказалось, что наиболее подходящим устройством с отрицательной дисперсией является пара дифракционных решеток [4. 7]. В этих экспериментах при сжатии импульсов не использовались нелинейные эффекты. Хотя использовать ФСМ для компрессии импульсов было предложено еще в 1969 г. [11, 12], эксперименты по сжатию импульсов при помощи ФСМ начали проводиться лишь в 80-х годах, когда одномодовые световоды из кварцевого стекла нашли широкое применение в качестве нелинейной среды [13 -38]. Были получены импульсы длительностью на длине волны 620 нм [20], а также достигнут коэффициент сжатия 5000 на длине волны 1,32 мкм [38]. Такой прогресс был достигнут только благодаря детальному описанию динамики импульса в волоконном световоде и оптимизации параметров световода при помощи численного моделирования [39-47].

Компрессоры, основанные на нелинейных эффектах в волоконных световодах, можно разделить на две категории, называемые здесь волоконно-решеточными компрессорами и компрессорами, основанными на эффекте многосолитонного сжатия. В волоконно-решеточном

компрессоре импульс сначала распространяется в световоде в области положительной дисперсии групповых скоростей, а затем происходит его сжатие при помощи пары дифракционных решеток. Задача световода наложить практически линейную частотную модуляцию за счет комбинации нелинейных и дисперсионных эффектов [39]. Пара дифракционных решеток создает отрицательную дисперсию групповых скоростей, необходимую для сжатия импульсов с положительной частотной модуляцией [4, 7]. С другой стороны, компрессор основанный на эффекте многосолитонного сжатия, состоит только из отрезка световода специально подобранной длины. Начальный импульс распространяется в области отрицательной дисперсии световода и сжимается за счет совместного действия ФСМ и дисперсии. Компрессия здесь обусловлена фазой начального сжатия, через которую проходят все солитоны высших порядков до того, как их начальная форма восстановится после одного периода солитона (см. разд. 5.2). Коэффициент сжатия зависит от пиковой мощности импульса, определяющей порядок солитона N. Оба типа компрессоров взаимно дополняют друг друга, работая обычно в разных областях спектра; граница определяется длиной волны нулевой дисперсии (~ 1,3 мкм для кварцевых световодов). Таким образом, волоконно-решеточный компрессор используется для сжатия импульсов в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, в то время как компрессоры, основанные на эффекте многосолитонного сжатия, используются в области 1,3 1,6 мкм. В области 1,3 мкм за счет использования световодов со смещенной дисперсией можно применять компрессоры обоих типов. Двухкаскадная схема сжатия, где использовались оба типа компрессоров, позволила получить коэффициент сжатия 5000 в области 1,32 мкм [38].