7.2. ЭФФЕКТЫ, СВЯЗАННЫЕ С НЕЛИНЕЙНЫМ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕМ

Как следует из результатов разд. 7.1, нелинейная связь между двумя ортогональными компонентами вектора поляризации

оптической волны изменяет соответствующие компоненты показателя преломления на различные величины Это явление называется самоиндуцированным, или нелинейным, двулучепреломлением; оно имеет множество приложений. В данном разделе рассмотрены эффекты нелинейного двулучепреломления в волоконных световодах и их практическое использование.

7.2.1. ОПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ КЕРРА

В оптическом эффекте Керра двулучепреломление, индуцированное мощным излучением накачки, используется для того, чтобы изменить состояние поляризации слабого сигнала при прохождении через изотропный нелинейный диэлектрик [5, 6]. Данный эффект можно применять в оптических затворах с пикосекундными временами срабатывания [8]. В световодах его впервые наблюдали в с тех пор этот эффект привлекает большое внимание [13-20]. Принцип действия керровского затвора показан на рис. 7.1. На входе в световод излучения накачки и сигнальное излучение поляризованы линейно: угол между направлениями их поляризаций равен Скрещенный поляризатор на выходе световода блокирует прохождение сигнала в отсутствие накачки. Когда накачка включается, разница показателей преломления для параллельных и перпендикулярных поляризационных компонент сигнала (по отношению к направлению поляризации накачки) становится другой из-за двулучепреломления, вызванного излучением накачки. Дополнительная разность фаз для двух компонент на выходе из световода проявляется в виде изменения состояния поляризации сигнального излучения, и часть сигнала проходит через поляризатор. Коэффициент прохождения сигнала зависит от интенсивности излучения накачки, и им можно управлять, просто изменяя эту интенсивность. Поскольку сигнал на одной длине волны может быть промодулирован накачкой на другой длине волны, этот прибор называется также керровским модулятором, и его можно применять в системах оптической связи и в оптических переключателях.

Разность фаз между х- и у-компонентами сигнального излучения

Рис. 7.1. Керровский затвор На входе в световод излучение накачки и сигнальное излучение линейно-поляризованы под друг относительно Поляризатор блокирует прохождение сигнала в отсутствие накачки.

на выходе из световода длиной определяется

где X длина волны сигнального излучения и

Линейные части показателей преломления обычно различны из-за внутримодового двулучепреломления в световодах, поддерживающих поляризацию (см. разд. 1.2.4). Нелинейные части различны из-за двулучепреломления, обусловленного излучением накачки.

Рассмотрим случай накачки, линейно поляризованной вдоль оси х. Компонента х сигнала поляризована параллельно вектору поляризации накачки. Соответствующее изменение находим из выражения (7.1.11). Если пренебречь вкладом сигнала, то

интенсивность излучения накачки. Когда накачка и сигнал поляризованы ортогонально друг относительно друга, только первый член в выражении (7.1.22) дает вклад из-за разницы в длинах волн сигнала и накачки [11]. Снова пренебрегая самовоздействием, получаем для

где

Если имеет чисто электронную основу, Комбинируя (7.2.1) (7.2.4). получаем для разности фаз

где — и определяется линейным двулучепреломлением, а керровский коэффициент определяется выражением

Коэффициент пропускания сигнала связан с простым соотношением

Пропускание керровского затвора становится равным 100%, когда или нечетному числу С другой стороны, сдвш фазы на четное число полностью блокирует сигнал.

Для наблюдения оптического эффекта Керра обычно используют

световод, поддерживающий поляризацию, чюбы сохранять состояние поляризации излучения накачки. Постоянный сдвиг фазы возникающий из-за линейного двулучепреломления, можно скомпенсировать [13], поместив четвертьволновую пластинку перед поляризатором (рис. 7.1). На практике, однако, из-за изменения температуры и давления флуктуирует, поэтому четвертьволновую пластинку необходимо постоянно подстраивать. Альтернативным подходом является использование двух одинаковых отрезков световода, поддерживающего поляризацию, соединенных вместе так, что их «быстрые» (или «медленные») оси находятся под прямым углом друг к другу [17]. Так как меняет знак во втором световоде, суммарный сдвиг фазы обусловленный линейным двулучепреломлением, компенсируется.

При идеальных условиях постоянная времени керровского затвора ограничена временем отклика нелинейности На практике тем не менее дисперсия в световоде ограничивает постоянную времени до величин от до не в зависимости от значения рабочих параметров [13]. Ограничивающий фактор расстройка групповых скоростей сигнального излучения и излучения накачки. Относительная групповая задержка определяется как

и может превысить 1 не для -метрового световода, если не принять специальных мер предосторожности для уменьшения данной расстройки. Первая возможность выбрать длину волны сигнала и длину волны накачки с противоположных сторон от длины волны минимальной дисперсии (вблизи 1,3 мкм). Линейное двулучепреломление световода накладывает другое ограничение на постоянную времени затвора. Из-за разницы ортогональные поляризационные компоненты сигнала распространяются с различными скоростями. Относительная задержка между ними

Для -метрового световода с Ее можно уменьшить, используя световод с меньшим двулучепреломлением. Использование двух световодов, соединенных так, что их «быстрые» оси оказываются под прямым углом друг к другу, позволяет почти полностью устранить Фундаментальное ограничение на постоянную времени затвора накладывается дисперсией групповых скоростей, которая уширяет импульс накачки при распространении по световоду. Уширение импульса можно свести до и менее, либо уменьшая длину световода, либо используя накачку с длиной волны, близкой к длине волны нулевой Дисперсии.

Можно оценить мощность накачки, необходимую для 100%-ного

пропускания сигнала, из формул (7.2.6) и (7.2.8):

где - эффективная площадь сердцевины. Потери в световоде можно учесть, заменив на эффективную длину

Используя мкм, получаем мощность излучения накачки для 100-метрового световода. Мощность можно уменьшить, увеличивая длину световода, но при этом увеличится постоянная времени затвора (7.2.9). В эксперименте при В другом эксперименте эффективная площадь сердцевины была уменьшена до и в качестве накачки использовалось излучение полупроводникового лазера на 1,3 мкм. Был получен сдвиг фазы в 17° при мощности накачки только 27 мВт. Оценка сделанная в этом эксперименте, указывает на то, что мощности накачки может оказаться достаточно для -ного пропускания сигнала, если в каждом плече интерферометра Маха-Цандера использовать -метровые отрезки световода.

Уравнение (7.2.11) можно использовать для оценки постоянной Керра Большинство измерений указывает [12-20], что с погрешностью порядка 20%. Данная величина находится в согласии с (7.2.7), если использовать Параметр В был измерен в эксперименте [19], что позволило независимо определить отношение восприимчивостей, указанное в (7.2.5). Исходя из того что измеренное значение равно 0,34, можно полагать, что в кварцевых световодах доминирует электронный вклад в Это находится в согласии с измерениями, сделанными в объемных стеклах [7].

Полностью оптический керровский затвор использовался для экспериментальной демонстрации оптического стробирования [15]. На рис. 7.2 схематично изображена экспериментальная установка. Для компенсации линейного двулучепреломления световода использовался компенсатор Бабине-Солейля. В качестве поляризатора использовался отрезок световода с большим двулучепреломлением (коэффициент экстинкции около 20 дБ). Он также служил в качестве фильтра, поскольку этот световод имел высокие потери на длиня волны накачки 1.06 мкм. В качестве сигнала служило излучение лазерного диода на длине волны 0,84 мкм. Стробируемый сигнал на выходе имел форму последовательности импульсов, расстояние между которыми и длительность определялись импульсами накачки

Рис. 7.2. Полностью оптический керровский затвор, использованный для оптического стробирования [15].

В этом эксперименте стробирующие импульсы накачки были довольно длинными (примерно 300 пс). В другом эксперименте [17] 30-пикосекундные сигнальные импульсы с частотой следования (полученные при использовании полупроводникового лазера с распределенной обратной связью и модуляцией усиления, работающего в области 1,3 мкм) демультиплексировались при использовании -пикосекундных импульсов накачки от -лазера с синхронизацией мод.