RU2530189C1 - Method for optical amplification of laser radiation - Google Patents
Method for optical amplification of laser radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2530189C1 RU2530189C1 RU2013126991/28A RU2013126991A RU2530189C1 RU 2530189 C1 RU2530189 C1 RU 2530189C1 RU 2013126991/28 A RU2013126991/28 A RU 2013126991/28A RU 2013126991 A RU2013126991 A RU 2013126991A RU 2530189 C1 RU2530189 C1 RU 2530189C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguides
- radiation
- optical
- waves
- channels
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
- H01S3/2383—Parallel arrangements
- H01S3/2391—Parallel arrangements emitting at different wavelengths
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06754—Fibre amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
- H01S3/1307—Stabilisation of the phase
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/30—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects
- H01S3/302—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects in an optical fibre
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области лазерной, нелинейной, интегральной и волоконной оптики.The invention relates to the field of laser, nonlinear, integrated and fiber optics.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Как хорошо известно [1-3], когерентное сложение лазерных пучков позволяет достигнуть значительного увеличения мощности лазерных систем и улучшения направленности их излучения.As is well known [1-3], the coherent addition of laser beams allows one to achieve a significant increase in the power of laser systems and improve the directivity of their radiation.
Вместе с тем, известен способ [4] оптического усиления мощного лазерного излучения, включающий разделение, усиление в каждом канале и сложение усиленных волн. Известный способ включает фазировку нескольких лазерных усилительных каналов. Для этого используются электронные схемы, обеспечивающие согласование и выравнивание фаз волн в нескольких оптических каналах. Недостатком этого способа является медленность срабатывания электронных схем и, как следствие, сравнительно медленное регулирование разности фаз волн и медленное установление нулевой разности фаз. Как подчеркивалось в [4] схема работала в условиях медленного (не быстрее 100 мс) изменения фазы излучения в канале. Кроме того, установка, включающая оптическую схему и электронные схемы, является сложной и громоздкой.At the same time, a method [4] for optical amplification of high-power laser radiation is known, including separation, amplification in each channel and addition of amplified waves. The known method involves phasing several laser amplification channels. To do this, electronic circuits are used to ensure matching and alignment of the phases of the waves in several optical channels. The disadvantage of this method is the slow response of electronic circuits and, as a result, the relatively slow regulation of the phase difference of the waves and the slow establishment of a zero phase difference. As was emphasized in [4], the circuit worked under conditions of a slow (not faster than 100 ms) change in the radiation phase in the channel. In addition, the installation, including the optical circuit and electronic circuitry, is complex and cumbersome.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Техническим результатом, достигаемым в заявленном способе оптического усиления лазерного излучения, является повышение скорости формирования усиленного излучения за счет увеличения быстродействия регулирование разности фаз лазерных излучений в двух или более каналах. Нет необходимости в фазировке каналов.The technical result achieved in the claimed method of optical amplification of laser radiation is to increase the rate of formation of amplified radiation by increasing the speed of the regulation of the phase difference of laser radiation in two or more channels. No phasing of channels needed.
Указанные технические результаты достигаются в способе оптического усиления лазерного излучения, включающем разделение исходного излучения по нескольким каналам, усиление излучения в каналах и формирование однонаправленного излучения на выходе из каналов, при этом в качестве каналов используют нелинейные оптические волноводы с туннельной оптической связью между ними, и подбирают интенсивности оптических волн на входе волноводов, и/или коэффициенты туннельной связи между волноводами, и/или длины туннельной связи волноводов, и/или частоты волн таким образом, что волны на выходе волноводов оказываются в одинаковой фазе.These technical results are achieved in a method of optical amplification of laser radiation, including the separation of the initial radiation through several channels, amplification of radiation in the channels and the formation of unidirectional radiation at the exit of the channels, while the channels use nonlinear optical waveguides with tunnel optical coupling between them, and select the intensities of the optical waves at the input of the waveguides, and / or the tunnel coupling coefficients between the waveguides, and / or the tunnel coupling length of the waveguides, and / or wave frequencies in such a way that the waves at the output of the waveguides are in the same phase.
Исходное излучение может быть предварительно (до разделения) введено в нелинейный оптический волновод и затем разделено по другим нелинейным оптическим волноводам, используя туннельную связь между ними.The initial radiation can be previously (before separation) introduced into a nonlinear optical waveguide and then separated by other nonlinear optical waveguides using a tunnel coupling between them.
Можно дополнительно, после усиления излучения в каналах, разделять излучение каждого из каналов по нескольким дополнительным нелинейным оптическим волноводам и усиливать в них излучение, при этом подбирать интенсивности оптических волн на входе волноводов, и/или коэффициенты туннельной связи между дополнительными волноводами, и/или длины туннельной связи дополнительных волноводов, и/или частоты волн таким образом, что волны на выходе дополнительных волноводов оказываются в одинаковой фазе, а однонаправленное излучение формируют на выходе дополнительных волноводов. Можно дополнительно разделять и усиливать излучение два и более раз, сохраняя синфазность волн на выходе волноводов каждого каскада усиления. При этом можно каждый раз дополнительно разделять излучение, например, на два канала.You can additionally, after amplifying the radiation in the channels, separate the radiation of each channel along several additional nonlinear optical waveguides and amplify the radiation in them, while selecting the intensities of the optical waves at the input of the waveguides, and / or the tunnel coupling coefficients between the additional waveguides, and / or lengths tunnel coupling of additional waveguides, and / or the frequency of the waves in such a way that the waves at the output of the additional waveguides are in the same phase, and unidirectional radiation is generated in the output of additional waveguides. It is possible to further separate and amplify the radiation two or more times, preserving the phase-matching of the waves at the output of the waveguides of each amplification stage. In this case, it is possible to additionally separate the radiation each time, for example, into two channels.
Указанные нелинейные оптические волноводы могут быть выполнены в виде жил волоконного световода. Жилы волоконного световода могут содержать GeO2. Они могут быть легированы ионами редкоземельных элементов, и/или ионами металлов, и/или частицами полупроводника. В качестве редкоземельных элементов можно использовать эрбий, иттрий, иттербий, неодим, туллий, тербий и другие элементы. В качестве легирующих металлов перспективен висмут. В качестве легирующих полупроводников и их соединений могут быть использованы CdS, CdSe, CdSxSe1-x, GaAs и другие. Эти легирующие добавки могут быть использованы как для повышения нелинейного коэффициента волноводов, так и для усиления лазерного излучения. Усиливать лазерное излучение в каналах можно, создавая инверсию населенностей энергетических уровней ионов редкоземельных элементов или ионов металла, например, висмута, или полупроводников. Для создания инверсии населенностей ионов редкоземельных элементов, или металла, или полупроводников можно использовать излучение диодной накачки. Как правило, указанные оптические волноводы легированы ионами, по меньшей мере, одного редкоземельного элемента, и/или ионами висмута, и/или частицами, по меньшей мере, одного вида полупроводника.These nonlinear optical waveguides can be made in the form of veins of a fiber waveguide. Fiber optic cores may contain GeO 2 . They can be doped with rare earth ions and / or metal ions and / or semiconductor particles. As rare earth elements, erbium, yttrium, ytterbium, neodymium, thulium, terbium, and other elements can be used. Bismuth is promising as an alloying metal. As alloying semiconductors and their compounds, CdS, CdSe, CdS x Se 1-x , GaAs and others can be used. These alloying additives can be used both to increase the nonlinear coefficient of waveguides and to amplify laser radiation. It is possible to amplify laser radiation in channels by creating an inversion of the populations of the energy levels of ions of rare-earth elements or metal ions, for example, bismuth, or semiconductors. To create an inversion of the populations of ions of rare-earth elements, or metal, or semiconductors, diode pump radiation can be used. Typically, these optical waveguides are doped with ions of at least one rare earth element and / or bismuth ions and / or particles of at least one type of semiconductor.
В важном частном случае в качестве лазерного излучения используют сверхкороткие импульсы, как правило, солитоны или солитоноподобные импульсы, сохраняющие свою форму. Использование сверхкоротких импульсов позволяет устранить явление ВРМБ в волоконных световодах. Сверхкороткие импульсы, в частности, солитоны могут подаваться как в виде последовательности, так и в виде одного импульса.In an important particular case, ultrashort pulses are used as laser radiation, as a rule, solitons or soliton-like pulses that retain their shape. The use of ultrashort pulses makes it possible to eliminate the SMBS phenomenon in optical fibers. Ultrashort pulses, in particular, solitons, can be supplied either as a sequence or as a single pulse.
Обычно количество жил волоконного световода больше трех.Typically, the number of fibers in a fiber is more than three.
В частности, указанные оптические волноводы являются параллельными.In particular, these optical waveguides are parallel.
В частности, может использоваться центральный оптический волновод, окруженный несколькими параллельными симметрично расположенными оптическими волноводами, причем между этими периферийными волноводами и центральным волноводом существует туннельная связь, при вводе излучения в центральный волновод с интенсивностью, равной «критической» интенсивности волн на выходе всех волноводов, выравниваются. При этом выравниваются и фазы воли во всех указанных волноводах.In particular, a central optical waveguide surrounded by several parallel symmetrically located optical waveguides can be used, and there is a tunnel connection between these peripheral waveguides and the central waveguide, when radiation is introduced into the central waveguide with an intensity equal to the “critical” wave intensity at the output of all waveguides, they are aligned . At the same time, the phases of the will are aligned in all the indicated waveguides.
В частном случае туннельная связь между соседними периферийными волноводами может отсутствовать.In a particular case, the tunnel coupling between adjacent peripheral waveguides may be absent.
В другом, важном для практики, частном случае нелинейно-оптические ТСОВ могут быть реализованы на основе волноводных полупроводниковых структур. В частности, на основе слоистых наноструктур, например гетероструктур типа GaAs/GaAlAs или In1-xGaxAsyP1-y. В частности, могут быть использованы полосковые, и/или канальные, и/или утопленные волноводы. В них также может быть обеспечено оптическое усиление лазерного излучения за счет создания инверсии населенностей энергетических уровней. Инверсия населенностей в этом случае, как правило, создается электрическим током, который пропускается сквозь полупроводниковую структуру перпендикулярно плоскости слоев. Величина этого тока составляет обычно 10-100 мА. Можно говорить о полупроводниковых волноводных усилителях, туннельно-связанных между собой. Причем существенную роль играет оптическая нелинейность этих волноводных усилителей. Весьма перспективно использование массива таких усилителей.In another, important for practice, special case, nonlinear optical TCOWs can be implemented based on waveguide semiconductor structures. In particular, based on layered nanostructures, for example, GaAs / GaAlAs or In 1-x Ga x As y P 1-y heterostructures. In particular, strip and / or channel and / or recessed waveguides can be used. They can also provide optical amplification of laser radiation by creating an inversion of the population of energy levels. The population inversion in this case, as a rule, is created by electric current, which is passed through the semiconductor structure perpendicular to the plane of the layers. The magnitude of this current is usually 10-100 mA. We can talk about semiconductor waveguide amplifiers, tunnel-coupled to each other. Moreover, the optical nonlinearity of these waveguide amplifiers plays a significant role. The use of an array of such amplifiers is very promising.
В частном случае используют волноводы на основе полупроводниковой структуры типа MQW, содержащей по крайней мере два гетероперехода, на которой закреплены контактные металлические пластины 2 и 3 для пропускания через структуру нелинейного волновода тока в поперечном по отношению к слоям структуры направлении.In a particular case, waveguides based on a semiconductor structure of the MQW type are used, which contain at least two heterojunctions, on which contact
Как известно [5-10], нами было открыто явление самопереключения однонаправленных распределение-связанных волн (ОРСВ). Основы теории и экспериментальное наблюдение этого явления описаны в обзоре [9, 10]. К этим волнам относится целый класс волн [5-10] и, в том числе, волны в туннельно-связанных оптических волноводах (ТСОВ). Обычно речь идет о двух волнах, например о волнах в двух ТСОВ. Однако, как подчеркивалось в [9] и других наших работах, эффект самопереключения волн имеет место и для большего числа ОРСВ, в частности для волн в трех ТСОВ. Поскольку в данном способе нас в первую очередь интересуют ТСОВ, то далее мы, как правило, будем говорить о самопереключении волн в ТСОВ.As is known [5–10], we discovered the phenomenon of self-switching of unidirectional distribution-coupled waves (ORSV). The foundations of the theory and experimental observation of this phenomenon are described in the review [9, 10]. These waves include a whole class of waves [5-10], including waves in tunnel-coupled optical waveguides (TSOW). Usually we are talking about two waves, for example, waves in two TSOV. However, as was emphasized in [9] and in our other works, the effect of wave self-switching also occurs for a larger number of ODSWs, in particular, for waves in three TSOWs. Since in this method we are primarily interested in TSOW, then further, as a rule, we will talk about self-switching of waves in TSOW.
В наших работах [5-10] показано, что в нелинейном режиме, когда показатель преломления волноводов в каждой точке зависит от интенсивности волны в этой точке, может происходить указанное явление самопереключения света или оптического излучения. Оно заключается в том, что малое изменение интенсивностей или фаз волн на входе (при определенных условиях) вызывает резкое изменение соотношения мощностей волн на выходе. В простейшем случае ввода излучения в один из двух ТСОВ оно возникает вблизи критической мощности на входе. Причем если ТСОВ идентичны, то критическая интенсивность равна
В данном случае нас интересует даже не явление самопереключения излучения, а сопутствующее ему явление - автосинхронизации волн [7-10].In this case, we are not even interested in the phenomenon of radiation self-switching, but the concomitant phenomenon - auto-synchronization of waves [7-10].
Дело в том, что как было впервые установлено нами [7, 8], явление самопереключения ОРСВ сопровождается их автосинхронизацией, т.е. выравниванием фаз волн на выходе оптических волноводов. Точнее, оно происходит на некотором расстоянии от входа волноводов и далее по всей их длине вплоть до выхода (фиг.2а). Оно происходит в средней точке самопереключения М. Явление автосинхронизации можно назвать также автоматической фазировкой волн или их автофазировкой.The fact is that, as was first established by us [7, 8], the phenomenon of self-switching of ODSWs is accompanied by their auto-synchronization, i.e. alignment of phases of waves at the output of optical waveguides. More precisely, it occurs at a certain distance from the entrance of the waveguides and further along their entire length up to the exit (Fig. 2a). It occurs at the midpoint of M. self-switching. The phenomenon of auto-synchronization can also be called automatic phasing of waves or their autophasing.
Это явление положено в основу нового способа регулирования разности фаз на выходе оптических каналов - автоматической синхронизации волн или автосинхронизации волн в нескольких оптических каналах.This phenomenon forms the basis of a new method for controlling the phase difference at the output of optical channels — automatic wave synchronization or auto-synchronization of waves in several optical channels.
Одним из наиболее перспективных применений этого способа можно считать его применение для регулирования разности фаз (синхронизации) волн в волоконных световодах со многими жилами в условиях усиления этих волн по мере их распространения. Как правило, усиление достигается за счет создания в этих жилах инверсии населенностей, для чего световод (жилы) легируют ионами редкоземельных элементов, например ионами эрбия, иттербия или других элементов. Например, этот способ может применяться в эрбиевых усилителях со многими жилами. При этом необходимая для усиления инверсия населенностей, как правило, создается (достигается) за счет диодной накачки. Принцип работы и конструкция эрбиевых и других аналогичных волоконных усилителей хорошо известны (см., напр., [11, 12]).One of the most promising applications of this method can be considered its use for regulating the phase difference (synchronization) of waves in optical fibers with many wires in the conditions of amplification of these waves as they propagate. As a rule, amplification is achieved by creating population inversions in these veins, for which the fiber (s) are doped with rare earth ions, for example, erbium, ytterbium or other elements. For example, this method can be used in erbium-doped amplifiers with many conductors. In this case, the population inversion necessary for amplification, as a rule, is created (achieved) due to diode pumping. The principle of operation and the design of erbium and other similar fiber amplifiers are well known (see, for example, [11, 12]).
В патенте [13] рассматривалось явление самопереключения излучения в условиях, когда в жилах (т.е. оптических волноводах) имеет место усиление за счет инверсии населенностей. В частности, в [13] рассматривалось явление самопереключения излучения в эрбиевом усилителе с двумя или более жилами, которые образовывали ТСОВ. Т.е. рассматривалось [13] сочетание эффекта самопереключения и усиления за счет инверсии населенностей.In the patent [13], the phenomenon of radiation self-switching was considered under conditions when amplification due to population inversion takes place in conductors (ie, optical waveguides). In particular, in [13] the phenomenon of radiation self-switching was considered in an erbium amplifier with two or more conductors that formed a TCOW. Those. [13] considered a combination of the self-switching effect and amplification due to population inversion.
Как показали исследования [13], наличие усиления за счет инверсии населенностей не нарушает эффект самопереключения волн и тесно связанный с ним эффект автосинхронизации волн.As studies [13] showed, the presence of amplification due to population inversion does not violate the effect of self-switching of waves and the closely related effect of auto-synchronization of waves.
Как показали более ранние исследования [14], наличие умеренных потерь также не нарушает эффект самопереключения волн и тесно связанный с ним эффект автосинхронизации волн.As shown by earlier studies [14], the presence of moderate losses also does not violate the effect of self-switching waves and the closely related effect of auto-synchronization of waves.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Изобретение поясняется фигурами 1-6.The invention is illustrated by figures 1-6.
Фиг.1 показывает поперечное сечение световода и возможное расположение туннельно-связанных оптических волноводов (жил) в нем.Figure 1 shows a cross section of a fiber and a possible arrangement of tunnel-coupled optical waveguides (cores) in it.
Фиг.2-6 иллюстрируют явления автосинхронизации (автофазировки) и самопереключения волн в нескольких нелинейно-оптических ТСОВ. Фиг.2 соответствует двум ТСОВ, фиг.3 соответствует трем ТСОВ, фиг.4 - четырем ТСОВ, фиг.5 и 6 соответствуют пяти ТСОВ.Figure 2-6 illustrate the phenomenon of auto-synchronization (autophasing) and self-switching of waves in several nonlinear optical TSOV. Figure 2 corresponds to two TCOW, figure 3 corresponds to three TCOW, figure 4 to four TCOW, figure 5 and 6 correspond to five TCOW.
На фигурах 2-6 показаны коэффициенты передачи мощности волноводами Tj=Ijl/I (где I - сумма входных интенсивностей) и косинусы разности фаз: cos(φj-φ0), cos(φm-φj). На фиг.2а, 3, 4, 5 они представлены как функции нормированной продольной координаты L=2πKl/(λβ) [6-10]. На фиг.2б, в, г и фиг.6 - как функции нормированной входной интенсивности R0=/I00/IM, где IM - критическая интенсивность для идентичных ТСОВ, равная
На фиг.2а показаны коэффициенты передачи мощности Т0 и T1 волноводами «0» и «1» и косинус разности фаз: C10=cos(φ1-φ0) как функции L. Входная интенсивность равна критической: R0=1. Потери равны нулю (δ=0).On figa shows the transmission coefficients of the power T 0 and T 1 by the waveguides "0" and "1" and the cosine of the phase difference: C10 = cos (φ 1 -φ 0 ) as a function of L. The input intensity is critical: R 0 = 1. Losses are zero (δ = 0).
На фиг.2б-г. показано самопереключение волн и их синхронизация (в средней точке М [6-10]) для двух ТСОВ при нулевых (δ=0) (б), положительных (δ=K/10) (в) и отрицательных (δ=-K/10) (г) потерях. L=π.On figb-g. self-switching of waves and their synchronization (at the midpoint M [6-10]) for two TSOWs are shown for zero (δ = 0) (b), positive (δ = K / 10) (c) and negative (δ = -K / 10) (d) loss. L = π.
Фиг.2г показывает, что эффект автосинхронизации волн сохраняется и при наличии усиления, полученного за счет инверсии среды.Fig.2d shows that the effect of auto-synchronization of waves is preserved in the presence of amplification obtained due to the inversion of the medium.
На фиг.3 представлены коэффициенты T0, T1, Т2 передачи мощности тремя волноводами «0», «1», «2» и косинусы разности фаз: Cj0=cos(φj-φ0), С21=cos(φ2-φ1) как функции L, причем три ТСОВ, расположены так, как на фиг.1а, при R0=1, K01=K, K12=0.Figure 3 presents the coefficients T 0 , T 1 , T 2 power transmission with three waveguides "0", "1", "2" and the cosines of the phase difference: Cj0 = cos (φ j -φ 0 ), C21 = cos (φ 2- φ 1 ) as a function of L, and three TCOWs are located as in FIG. 1a, with R 0 = 1, K 01 = K, K 12 = 0.
На фиг.4 представлены коэффициенты передачи мощности Т0, T1, T2, и T3 четырьмя волноводами «0», «1», «2», «3» и косинусы разности фаз: Cj0=cos(φj-φ0), C21=cos(φ2-φ1)=C31=cos(φ3-φ1) как функции L для четырех ТСОВ, расположенных так, как на фиг.1г, при R0=1, K01=K02=K03=K, K12=0. Кривая 1+2+3 - это график суммы T1+T2+T3. Кривая «0» - график Т0. Кривая «1» - график T1.Figure 4 presents the transmission coefficients of power T 0 , T 1 , T 2 , and T 3 four waveguides "0", "1", "2", "3" and the cosines of the phase difference: Cj0 = cos (φ j -φ 0 ), C21 = cos (φ 2 -φ 1 ) = C31 = cos (φ 3 -φ 1 ) as a function of L for four TCOWs located as in Fig. 1d, with R 0 = 1, K 01 = K 02 = K 03 = K, K 12 = 0.
На фиг.5 представлены коэффициенты передачи мощности T0, T1, Т2, Т3, T4 пятью волноводами «0», «1», «2», «3», «4» и косинусы разности фаз: Cj0=cos(φj-φ0), C21=cos(φ2-φ1), C31=cos(φ3-φ1), C41=cos(φ4-φ1), C23=cos(φ2-φ3), C34=cos(φ3-φ4), C24=cos(φ2-φ4) как функции L.Figure 5 presents the transmission coefficients of power T 0 , T 1 , T 2 , T 3 , T 4 five waveguides "0", "1", "2", "3", "4" and the cosines of the phase difference: Cj0 = cos (φ j -φ 0 ), C21 = cos (φ 2 -φ 1 ), C31 = cos (φ 3 -φ 1 ), C41 = cos (φ 4 -φ 1 ), C23 = cos (φ 2 -φ 3 ), C34 = cos (φ 3 -φ 4 ), C24 = cos (φ 2 -φ 4 ) as a function of L.
Для фиг.5а-д пять ТСОВ расположены так, как на фиг.1е, причем K01=K02=K03=K04=K. С21=С31=С41=С23=С34=С24. Кривая 1+2+3+4 - это график суммы Т1+Т2+Т3+T4. Кривая «0» - график Т0. Кривая «3+4» - график суммы T3+T4. K12=0 (а), K12=0.25K (б), K=0.5K (в), K12=0.67K (г). Для всех фиг.5, кроме «д», R0=1. Для фиг.5д R0=0.6, K12=0.25K.For figa-e five TSOV are located as in figa, with K 01 = K 02 = K 03 = K 04 = K. C21 = C31 = C41 = C23 = C34 = C24.
Для фиг.5е ТСОВ расположены так, как на фиг.1д, при этом: K01=K; K24=K; K02=K; K13=K; K04=0; K14=0; K34=0; K03=0; K12=0; K23=0.For fig.5e TCOW are located as in fig.1d, with: K 01 = K; K 24 = K; K 02 = K; K 13 = K; K 04 = 0; K 14 = 0; K 34 = 0; K 03 = 0; K 12 = 0; K 23 = 0.
На фиг.6 представлены те же величины, что и на фиг.5, но как функции R0, при различных нормированных длинах: L=1.51π, K12=0 (a); L=1.57π, K12=K/4 (б); L=1.6π, K12=0 (в); L=1.51π, K12=K/4 (г).In Fig. 6, the same values are presented as in Fig. 5, but as functions of R 0 , for various normalized lengths: L = 1.51π, K 12 = 0 (a); L = 1.57π, K 12 = K / 4 (b); L = 1.6π, K 12 = 0 (c); L = 1.51π, K 12 = K / 4 (g).
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Усиление волн за счет инверсии населенностей не нарушает эффект самопереключения волн и тесно связанный с ним эффект автосинхронизации волн. На фиг.2г видно, что волны синхронизируются и в случае усиления. Фиг.2г построена для случая двух ТСОВ, но аналогичная синхронизация имеет место и для большего числа волноводов.The amplification of waves due to population inversion does not violate the effect of self-switching of waves and the closely related effect of auto-synchronization of waves. On fig.2g it is seen that the waves are synchronized in the case of amplification. Figure 2d is constructed for the case of two TCOWs, but similar synchronization takes place for a larger number of waveguides.
Рассмотрим случай, когда имеется центральный оптический волновод, окруженный несколькими периферийными симметрично расположенными оптическими волноводами (фиг.1), причем между этими периферийными волноводами и центральным волноводом существует туннельная связь. В этом случае при вводе излучения в центральный волновод с интенсивностью, равной «критической» интенсивности волн на выходе всех волноводов выравниваются (фиг.4, 5) на некотором расстоянии от входа. При этом выравниваются и фазы волн во всех указанных волноводах (фиг.4, 5).Consider the case when there is a central optical waveguide surrounded by several peripheral symmetrically located optical waveguides (Fig. 1), and there is a tunnel coupling between these peripheral waveguides and the central waveguide. In this case, when radiation is introduced into the central waveguide with an intensity equal to the “critical” wave intensity at the output of all waveguides, they are aligned (Figs. 4, 5) at a certain distance from the input. At the same time, the phases of the waves in all of these waveguides are aligned (Figs. 4, 5).
При уменьшении коэффициентов связи между периферийными волноводами (т.е. коэффициентов K12, K13, K14, K24, K34 и т.д.) увеличивается длина участка ТСОВ, где косинус разности фаз волн близок к единице (фиг.4, 5). Поэтому для увеличения длины участка ТСОВ, где волны становятся синфазными, следует уменьшать коэффициент связи между периферийными волноводами. Специальными технологическими приемами их можно уменьшить вплоть до нуля.With a decrease in the coupling coefficients between the peripheral waveguides (i.e., the coefficients K 12 , K 13 , K 14 , K 24 , K 34 , etc.), the length of the TSOW section increases, where the cosine of the phase difference of the waves is close to unity (Fig. 4 , 5). Therefore, to increase the length of the TCOW section, where the waves become in-phase, the coupling coefficient between the peripheral waveguides should be reduced. Special technological methods can reduce them down to zero.
При одном и том же коэффициенте связи между периферийными волноводами уменьшение входной интенсивности (от критической до 0.6 критической) уменьшает участок ТСОВ, где косинус разности фаз волн близок к единице (фиг.5в, 5д).With the same coupling coefficient between the peripheral waveguides, a decrease in the input intensity (from critical to 0.6 critical) reduces the TCOW section, where the cosine of the phase difference of the waves is close to unity (Figs. 5c, 5d).
Если присутствует усиление: δ<0, то появляются (участки) области, где cos(ψ10)<0 (фиг.2г). Положительные потери смещают точку синхронизации в область больших (чем R0=1) входных интенсивностей (фиг.2в).If amplification is present: δ <0, then (sections) of the region appear where cos (ψ 10 ) <0 (Fig. 2d). Positive losses shift the synchronization point to the region of higher (than R 0 = 1) input intensities (Fig.2c).
Отрицательные же потери (δ<0), наоборот, смещают точку синхронизации в область меньших (чем R0=1) входных интенсивностей. Отрицательные потери означают усиление. Оно, как правило, достигается за счет легирования жил ионами редкоземельных элементов (например, эрбия) и создания на этих ионах инверсии населенностей, обычно за счет диодной накачки.Negative losses (δ <0), on the contrary, shift the synchronization point to the region of lower (than R 0 = 1) input intensities. Negative losses mean amplification. As a rule, it is achieved by doping veins with ions of rare-earth elements (for example, erbium) and creating population inversions on these ions, usually due to diode pumping.
Графики на фиг.2-6 построены на основе математического моделирования взаимодействия оптических волн в нескольких нелинейно-оптических ТСОВ.The graphs in figure 2-6 are based on mathematical modeling of the interaction of optical waves in several nonlinear optical TSOV.
В [9] и других наших работах даны уравнения для двух и трех нелинейно-оптических ТСОВ. Эти уравнения нетрудно обобщить на случай большего числа нелинейно-оптических ТСОВ. Взаимодействие воли в нескольких, например, в пяти нелинейно-оптических ТСОВ описывается системой уравнений для медленно меняющихся амплитуд Аj этих волн:In [9] and our other works, equations were given for two and three nonlinear optical TCOWs. These equations can easily be generalized to the case of a larger number of nonlinear optical TSOWs. The interaction of the will in several, for example, in five nonlinear optical TSOWs, is described by a system of equations for slowly varying amplitudes A j of these waves:
где использованы обозначения [5-10], в частности:where the notation [5-10] is used, in particular:
zπ/(λ/β)→z, Kij=Kji - коэффициенты туннельной связи, αjm=βj-βm, βj - эффективный показатель преломления j-го волновода,zπ / (λ / β) → z, K ij = K ji are the tunneling coupling coefficients, α jm = β j -β m , β j is the effective refractive index of the jth waveguide,
θ0, θ1, θ2, θ3, θ4 - кубично-нелинейные коэффициенты [9], δm - коэффициент потерь в волноводе с номером m. Для идентичных волноводов αjm=0.θ 0 , θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 are cubic nonlinear coefficients [9], δ m is the loss coefficient in the waveguide with number m. For identical waveguides, α jm = 0.
Взаимодействие волн в большем числе нелинейно-оптических ТСОВ описывается аналогичными уравнениями. Т.е. приведенная выше система уравнений легко обобщается на случай большего числа волноводов. Например, если число волноводов n, то амплитуда в волноводе с номером m имеет вид:The interaction of waves in a larger number of nonlinear optical TCOWs is described by similar equations. Those. the above system of equations can easily be generalized to the case of a larger number of waveguides. For example, if the number of waveguides is n, then the amplitude in the waveguide with number m has the form:
причем αjm=-αmj.where α jm = -α mj .
Если ТСОВ расположены так, как показано на фиг.1д, то можно считать K01=K; K24=K; K02=K; K13=K; K04=0; K14=0; K34=0; K03=0; K12=0; K23=0.If TSOV are located as shown in fig.1d, then we can assume K 01 = K; K 24 = K; K 02 = K; K 13 = K; K 04 = 0; K 14 = 0; K 34 = 0; K 03 = 0; K 12 = 0; K 23 = 0.
Если ТСОВ расположены так, как показано на фиг.1е, то K01=K02=K03=K04=K, K12=K23=K34=K14=K13=K24, а связь между волноводами 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 1 и 4 - либо мала: K12=K23=K34=K14=K/4, либо вообще отсутствует: K12=K23=K34=K14=0.If TSOV are located as shown in fig.1e, then K 01 = K 02 = K 03 = K 04 = K, K 12 = K 23 = K 34 = K 14 = K 13 = K 24 , and the connection between the
На фиг.2-6 приведены результаты для идентичных волноводов αjm=βj-βm=0.Figure 2-6 shows the results for identical waveguides α jm = β j -β m = 0.
Характер взаимодействия определяется параметрами R=I00/IM и L=2πlK/λβ, причем
Подбирая коэффициенты связи, входные мощности волн, коэффициенты усиления (за счет инверсии населенностей) и длину волноводов (или длину волны), можно получить хорошую синхронизацию волн на выходе.By selecting the coupling coefficients, input wave powers, gain (due to population inversion) and waveguide length (or wavelength), you can get good output wave synchronization.
ЛитератураLiterature
[1] Н.И. Калитеевский. Волновая оптика. «Наука», Москва, 1971.[1] N.I. Kaliteevsky. Wave optics. “Science”, Moscow, 1971.
[2] Г.С. Ландсберг. Оптика. «Наука», Москва, 1976.[2] G.S. Landsberg. Optics. “Science”, Moscow, 1976.
[3] А.Н. Матвеев. Оптика. «Высшая Школа», Москва, 1985.[3] A.N. Matveev. Optics. Higher School, Moscow, 1985.
[4] Ю.Н. Пырков, А.И. Трикшев, В.Б. Цветков. Фазировка нескольких усилительных каналов при когерентном сложении лазерных пучков, «Квантовая электроника», 2012, т.42, №9, с.790-793.[4] Yu.N. Pyrkov, A.I. Trikshev, V.B. Of flowers. Phasing of several amplification channels in the case of coherent addition of laser beams, "Quantum Electronics", 2012, v. 42, No. 9, pp. 790-793.
[5]. А.А. Майер. «Оптические транзисторы и бистабильные элементы на основе нелинейной передачи света системами с однонаправленными связанными волнами». - Квантовая электроника, 1982, т.9, №11, с.2296-2302.[5]. A.A. Mayer. "Optical transistors and bistable elements based on nonlinear light transmission by systems with unidirectional coupled waves." - Quantum Electronics, 1982, vol. 9, No. 11, p. 2296-2302.
[6]. А.А. Майер. «О самопереключении света в направленном ответвителе». - Квантовая электроника, 1984, т.11, №1, с.157-162.[6]. A.A. Mayer. "On the self-switching of light in a directional coupler." - Quantum Electronics, 1984, v. 11, No. 1, p. 157-162.
[7]. А.А. Майер «Самопереключение света в интегральной оптике». - Известия АН СССР, сер. физ., 1984, т.48, №7, с.1441-1446.[7]. A.A. Meyer "Self-switching of light in integrated optics." - Proceedings of the USSR Academy of Sciences, ser. Fiz., 1984, v. 48, No. 7, p. 1441-1446.
[8]. А.А. Майер «Автосинхронизация волн при самопереключении света в нелинейных туннельно-связанных волноводах». - Препринт ИОФАН М., 1984, №236, с.1-11; Квантовая электроника, т.12, 1985, с.1537-1540.[8]. A.A. Meyer "Auto-synchronization of waves during self-switching of light in nonlinear tunnel-coupled waveguides." - Preprint IOFAN M., 1984, No. 236, p.1-11; Quantum Electronics, vol. 12, 1985, pp. 1537-1540.
[9] А.А. Майер. «Оптическое самопереключение однонаправленных распределенно-связанных волн». УФН, 1995, т.165, №9, с.1037-1075.[9] A.A. Mayer. "Optical self-switching of unidirectional distributed-coupled waves." UFN, 1995, v. 165, No. 9, pp. 1037-1075.
[10] А.А. Майер. «Экспериментальное наблюдение явления самопереключения однонаправленных распределение-связанных волн». УФН, 1996, т.166, №11, с.1171-1196.[10] A.A. Mayer. "Experimental observation of the self-switching phenomenon of unidirectional distribution-coupled waves." UFN, 1996, vol. 166, No. 11, pp. 1171-1196.
[11] «Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы» Под ред. С.А. Дмитриева, Н.Н. Слепова. Издательство Connect, Москва, 2000.[11] “Fiber optic technology: history, achievements, prospects”, Ed. S.A. Dmitrieva, N.N. Slepova. Connect Publishing House, Moscow, 2000.
[12] А.С. Курков, О.Е. Наний. LightWave, Russian Edition, No 1, p.14, 2003.[12] A.S. Kurkov, O.E. Nany. LightWave, Russian Edition,
[13] А.А. Майер. «Способ переключения, усиления и модуляции оптического излучения в нелинейно-оптическом световоде и устройство для его осуществления». Патент №2342687 от 25 сентября 2007. Опубликован 27 декабря 2008. БИ №36, 2008.[13] A.A. Mayer. "A method for switching, amplifying and modulating optical radiation in a nonlinear optical fiber and a device for its implementation." Patent No. 2342687 of September 25, 2007. Published December 27, 2008. BI No. 36, 2008.
[14] А.А. Майер. Препринт ИОФАН, М., 1985, №334, с.1-20; Квантовая электроника, 1987, т.14, №8, с.1596-1603.[14] A.A. Mayer. Preprint IOFAN, M., 1985, No. 334, pp. 1-20; Quantum Electronics, 1987, v. 14, No. 8, p. 1596-1603.
Claims (15)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013126991/28A RU2530189C1 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Method for optical amplification of laser radiation |
PCT/RU2014/000416 WO2014200390A1 (en) | 2013-06-14 | 2014-06-05 | Laser radiation optical amplification method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013126991/28A RU2530189C1 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Method for optical amplification of laser radiation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2530189C1 true RU2530189C1 (en) | 2014-10-10 |
Family
ID=52022548
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013126991/28A RU2530189C1 (en) | 2013-06-14 | 2013-06-14 | Method for optical amplification of laser radiation |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2530189C1 (en) |
WO (1) | WO2014200390A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2620261C1 (en) * | 2016-05-06 | 2017-05-24 | Открытое акционерное общество "СУПЕРТЕЛ" | Transmitting device for fiber-optical soliton system of transferring synchronous digital channels |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2120649C1 (en) * | 1997-06-13 | 1998-10-20 | Майер Оптикал Рисеч Энд Текнолоджис ГмбХ | Method of commutation and modulation of unidirectional distributively-coupled waves ( versions ) and device for its realization |
US6597497B2 (en) * | 2001-10-04 | 2003-07-22 | Shih-Yuan Wang | Semiconductor optical amplifier with transverse laser cavity intersecting optical signal path and method of fabrication thereof |
RU2342687C1 (en) * | 2007-09-25 | 2008-12-27 | Александр Александрович Майер | Method of switching, amplification and modulation of optical radiation in non-linear optical fibre and device to this end |
US20090059966A1 (en) * | 2000-11-21 | 2009-03-05 | Yaron Mayer | System and method for transferring much more information in optic fiber cables by significantly increasing the number of fibers per cable |
-
2013
- 2013-06-14 RU RU2013126991/28A patent/RU2530189C1/en not_active IP Right Cessation
-
2014
- 2014-06-05 WO PCT/RU2014/000416 patent/WO2014200390A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2120649C1 (en) * | 1997-06-13 | 1998-10-20 | Майер Оптикал Рисеч Энд Текнолоджис ГмбХ | Method of commutation and modulation of unidirectional distributively-coupled waves ( versions ) and device for its realization |
US20090059966A1 (en) * | 2000-11-21 | 2009-03-05 | Yaron Mayer | System and method for transferring much more information in optic fiber cables by significantly increasing the number of fibers per cable |
US6597497B2 (en) * | 2001-10-04 | 2003-07-22 | Shih-Yuan Wang | Semiconductor optical amplifier with transverse laser cavity intersecting optical signal path and method of fabrication thereof |
RU2342687C1 (en) * | 2007-09-25 | 2008-12-27 | Александр Александрович Майер | Method of switching, amplification and modulation of optical radiation in non-linear optical fibre and device to this end |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
А.А.МАЙЕР "АВТОСИНХРОНИЗАЦИЯ ВОЛН ПРИ САМОПЕРЕКЛЮЧЕНИИ СВЕТА В НЕЛИНЕЙНЫХ ТУННЕЛЬНО-СВЯЗАННЫХ ВОЛНОВОДАХ", Квантовая электроника, том 12, N7, 1985. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2620261C1 (en) * | 2016-05-06 | 2017-05-24 | Открытое акционерное общество "СУПЕРТЕЛ" | Transmitting device for fiber-optical soliton system of transferring synchronous digital channels |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2014200390A1 (en) | 2014-12-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2182393C2 (en) | Semiconductor optical-pulse compressing waveguide | |
US7266258B2 (en) | Two-photon absorption generated carrier lifetime reduction in semiconductor waveguide for semiconductor based raman laser and amplifier | |
CN104078838A (en) | Optical amplifier and optical amplifying method | |
CN108732667B (en) | Superstructure grating and tunable laser | |
Zeidler et al. | Use of laser amplifiers in a glass-fibre communications system | |
RU2530189C1 (en) | Method for optical amplification of laser radiation | |
US9793676B1 (en) | Solid-state optical amplifier having an active core and doped cladding in a single chip | |
RU2342687C1 (en) | Method of switching, amplification and modulation of optical radiation in non-linear optical fibre and device to this end | |
JPS606119B2 (en) | Composite semiconductor device | |
Sun et al. | Reconfigurable microwave photonics filters with negative coefficients based on a quantum dash mode-locked laser | |
Rukhlenko et al. | Optimization of Raman amplification in silicon waveguides with finite facet reflectivities | |
Panjeta et al. | Gain Optimization of EDF Optical Amplifier by Stages Enhancement and Variation in Input Pumping Power | |
Halbout et al. | Nonlinear optical properties of N, N′ dimethylurea | |
Matsui et al. | Photonic integrated device of highly-stacked quantum dot using quantum dot intermixing by ion implantation | |
Arnaud et al. | Spontaneous emission in semiconductor laser amplifiers | |
Somekh | Theory, fabrication and performance of some integrated optical devices | |
Maier | Applying the autosynchronization of waves to amplify laser radiation in waveguides | |
RU2062540C1 (en) | Fiber light conductor of optical quantum amplifier | |
Di Forte et al. | Tunable optically pumped GaAs-GaAlAs distributed-feedback lasers | |
Ong et al. | Modelling of Different Types of SOA Characteristics | |
Abd El Aziz et al. | Impact of amplified spontaneous emission on the travelling wave semiconductor optical amplifier performance | |
Simos et al. | Relative intensity noise performance of wavelength converters based on four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers | |
JP2005235928A (en) | Optical amplifier | |
Shiozawa et al. | A compact Cherenkov laser with a Bragg cavity composed of dielectric gratings | |
Darcie et al. | Tuning of Exceptional-Point Microring Lasers Through Dual-Wavelength Coupler Design |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160615 |