Использование фемтосекундного суперконтинуума в системах сверхплотной передачи информации

В.Г. Беспалов, В.Н. Васильев, С.А. Козлов,

Ю.А. Шполянский

В настоящее время системы передачи оптических сигналов по волокну, основанные на пакетировании (мультиплексировании) по длинам волн (МДВ) (wavelength-division multiplexing (WDM) [1]), являются следующим логическим шагом к созданию всемирной полностью оптической информационной сети. В простейшей системе МДВ несколько модулированных сигналов с различными длинами волн комбинируются оптическим мультиплексором в одиночное волокно, на выходном конце которого находится демультиплексор, разделяющий широкополосный сигнал по длинам волн. Для передачи информационного сигнала с плотностью 20 Гб/с необходимо разделение между частотными каналами не менее 100 ГГц, что соответствует приблизительно 0.8 нм в диапазоне 1500…1600 нм, где наиболее низки потери в волокне, реализуется наименьшая дисперсия групповых скоростей и возможно использование эрбиевых волоконных усилителей [1]. Если между частотными каналами менее 300 ГГц (2 нм), то, как правило, такие системы МДВ называются плотными (ПМДВ) (dense WDM (DWDM)) [2]. Для скоростей передачи 2.5 Гб/с количество передаваемых каналов по одиночному волокну удваивалось ежегодно, начиная с 1997 г., и к настоящему времени достигло 273. Рекордом является передача информации с суммарной скоростью более 10 Тб/с по 273 каналам на расстояние 117 км системой ПМДВ, разработанной фирмой NEC (Япония) [3]. В проекте TyCom Global Network [4], общая протяженность волоконной сети которой составляет 250000 км, планируется использовать восьмиволоконный кабель с максимальным пропусканием 7.68 Тб/с. Подобные системы планируется использовать для так называемых интегрированных систем ПМДВ типа метро (рис.1). Концепция данных систем отличается от обычной иерархической телефонной сети и использует кольцевую структуру. 

Рис.1. Интегрированная система ПМДВ типа метро

По данным волоконным системам планируется передача всей возможной информации, необходимой будущему потребителю: сверхскоростной доступ в Интернет (не менее 100…1000 Мб/c), видеотелефон, интерактивное телевидение высокой четкости, объемное (голографическое) телевидение. Для реализации данных систем в мировых масштабах необходима разработка способов, позволяющих увеличить пропускную способность одиночного волокна на 1…2 порядка. Одним из возможных путей реализации является радикальное увеличение числа используемых частотных каналов путем использования источников излучения со сверхширокополосным, но когерентным излучением. Таким излучением на настоящий момент обладают источники спектрального суперконтинуума, формируемого в нелинейных средах при распространении них фемтосекундных импульсов [5-7].

       Явление сверхуширения спектра сверхкоротких лазерных импульсов - генерация спектрального суперконтинуума – связано с одновременным протеканием многих нелинейно-оптических процессов – фазовой само- и кроссмодуляции, вынужденного комбинационного рассеяния, четырехволнового смешения. Строгая теория генерации спектрального суперконтинуума на основе решения волнового уравнения для напряженности электрического поля E(t) с учетом электронной и электроннно-колебательной (Рамановской) нелинейностями была предложена в работах [8-10]. Она учитывает практически все явления, протекающие при генерации, а результаты численных расчетов на её основе позволили количественно рассчитать многие эксперименты. Система уравнений с учетом линейной материальной и волноводной дисперсий и имеет вид [10]:

,                                                   (1)

где параметры a и b описывают дисперсию среды; g и h электронную и электронно-колебательную нелинейности; Q – амплитуда колебаний, активных в комбинационном рассеянии, w_v - их частота, T_v характеризует затухание колебаний, а - эффективность нелинейного возбуждения этих колебаний световым полем.

Рис. 2. Генерация спектрального суперконтинуума в полом волноводе со сжатым дейтерием. Сплошная кривая – расчет, Точками – эксперимент

На рис. 2 приведены результаты эксперимента по генерации спектрального суперконтинуума в полом волноводе, заполненного сжатым дейтерием, при накачке 150-ти фемтосекундными импульсами с длиной волны 390 нм [7], а также результаты численного моделирования на основе системы (1). Как видно из графиков, теоретическая кривая практически совпадает с результатами эксперимента, что свидетельствует об адекватности используемого подхода. Полоса частот данного спектрального суперконтинуума по уровню 1% равна 300 ТГц, что позволяет передать до 3000 каналов с шириной отдельного 100 ГГц. Следует отметить, что в данном диапазоне спектра, волокна на основе плавленого кварца имеют потери более 10 дБ, которые в основном связанны с рэлеевским рассеянием в матрице волокна. В настоящее время предложены фотонно-кристаллические волокна с воздушной сердцевиной [11-13], рэлеевские потери в которых могут сведены до нуля путем создания вакуума внутри волокна. Данная полоса частот также перспективна для обмена большими потоками информации в космическом пространстве.

Рис. 3. Схема сердцевины микроструктурного волокна (а) и микрофотография его торца (b) [15]

Наиболее интересными свойствами на настоящее время обладают генераторы суперконтинуума на основе так называемых микроструктурных волокон [14,15], которые также относят к фотонно-кристаллическим. Эти волокна включают периодическую структуру воздушных пустот в пределах кварцевой сердцевины, причем в центре находиться кварцевое ядро. Схема сердцевины такого волокна и микрофотография торца приведены на рис. 3 [15].

    Волноводный эффект в таких структурах осуществляется благодаря внутреннему отражению от периодической структуры «воздух-кварц» и созданию широкой запрещенной зоны для излучения, распространяющегося вдоль такой структуры. Данные волокна обладают уникальными дисперсионными свойствами, в частности, меняя соотношения диаметров центральной области и воздушных полостей, возможно сдвинуть длину волны нулевой дисперсии от 1000 нм до 650 нм (для примера, обычные кварцевые волокна не могут иметь нулевую дисперсию ниже длины волны 1.28 мкм). Система (1) позволяет рассчитывать параметры гиперконтинуума в микроструктурных волокнах, поскольку в ней может быть учтена дисперсия любого вида, как материальная среды, так и волноводная микроструктуры. 

Рис.4. Спектр выходного излучения из микроструктурного волокна длиной 75 см, при накачке излучением фемтосекундного лазера на сапфире с титаном (длина волны 780 нм) со средней мощностью 250 мВт и частотой повторения импульсов 100 МГц (сплошная кривая). Штриховая линия – спектр излучения лазера на входе волокна [14]

В 2000 г. в микроструктурных волокнах была получена генерация спектрального гиперконтинуума, простирающегося от 400 нм до 1600 нм [14]. На рис. 4 приведен спектр выходного излучения из волокна длиной 75 см, при накачке излучением фемтосекундного лазера на сапфире с титаном (длина волны 780 нм) со средней мощностью 250 мВт и частотой повторения импульсов 100 МГц. Столь широкополосный гиперконтинуум имеет полосу частот по уровню 1% равную 400 ТГц, что позволяет создать 4000 информационных каналов разнесенных на 100 ГГц. При использовании обычной на сегодняшний день скорости передачи по одному каналу 2,5 Гб/с, с использованием данного гиперконтинуума возможна передача 10 Тб/с, а при скорости в канале 20 Гб/c – до 80 Тб/с.

Список литературы

1. Hecht J. Understanding fiber optics. 3^rd ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, 1999. – 367 p.

2. Hecht J. Long-haul DWDM systems go the distance // Laser Focus. 2000. V. 36. No.10. P.125-132.

3. Whipple T.C. Amplifier transmits 3.2 Tb/s over 1500 km // Photonics Spectra. 2000. V. 34. No.7. p.34.

4. Hecht J. Dense WDM multiplies capacity of submarine cables // Laser Focus. 2000. V. 36. No.11. P.91-100.

5. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика. – М.: Мир, 1996. - 323 с.

6. Wittmann M., Penzkoter A. Spectral superbroadening of femtosecond laser pulses // Opt. Commun. 1985. V.5. P.308-317.

7. Беспалов В.Г., Козлов С.А., Стаселько Д.И. и др. Явление генерации фемтосекундного спектрального суперконтинуума в оптических средах с электронной и электронно-колебательной нелинейностями // Известия РАН, сер. физическая. 2000. B.10. C.23-34.

8. Козлов С.А., Сазонов С.В. Нелинейное распространение импульсов длительностью в несколько колебаний светового поля в диэлектрических средах // ЖЭТФ. 1997. Т.111. В.2. С.404-418.

9. Kozlov S.A., Oukrainski A.O., Shpolyanskiy Yu.A., Bespalov V.G., Sazonov S.V. Spectral evolution of propagating extremely short pulses // Physics of vibrations. 1999. V.7. N 1. P.19-27.

10. Беспалов В.Г., Козлов С.А., Шполянский Ю.А. Метод анализа динамики распространения фемтосекундных импульсов с континуумным спектром в прозрачных оптических средах // Оптический журнал. 2000. Т.67. N 4. С.5-11.

11. Knight J.C., Birks T.A., Russell P.S.J., de Sandro J.P. Properties of photonic crystal fiber and the effective index model //J. Opt. Soc. Am. A, 1998, V. 15, P. 748-752.

12. Knight J.C., Birks T.A., Cregan R.F., Russell P.S.J., de Sandro J.P. Photonic crystals as optical fibres - physics and applications //Opt. Mater., 1999, V. 11, P. 143-151.

13. Wadsworth W.J., Knight J.C., Ortigosa-Blanch A., Arriaga J., Silvestre E., Russell P.S.J. Soliton effects in photonic crystal fibres at 850 nm //Electron. Lett., 2000, V. 36, P. 53-55.

14. Ranka J.K., Windeler R.S., Stentz A.J. Visible continuum generation in air-silica microstructure optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm //Opt. Lett., 2000, V. 25, p. 25-27.

15. Ranka J.K., Windeler R.S., Stentz A.J. Optical properties of high-delta air-silica microstructure optical fibers //Opt. Lett., 2000, V. 25, P. 796-798.