Волоконная оптика: Дисперсия, сдвиг дисперсии и генерация сверхконтинуума.
Zero-dispersion wavelength
Волоконно-оптические кабели: нулевая дисперсия, длина волны 1300 нм и 1550 нм, компенсация дисперсии, волокна со сдвигом дисперсии. Оптимизация передачи данных.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
В однорежимном оптическом волокне нулевая дисперсионная длина волны – это длина волны или длины волн, при которых дисперсия материала и волноводная дисперсия взаимно компенсируются. Во всех оптических волокнах на основе кремния минимальная дисперсия материала естественным образом возникает на длине волны около 1300 нм. Однорежимные волокна могут быть изготовлены из стекла на основе кремния, содержащего легирующие добавки, которые сдвигают дисперсионную длину волны материала, а следовательно, и нулевую дисперсионную длину волны, в сторону окна минимальных потерь, приблизительно 1550 нм. Инженерным компромиссом является незначительное увеличение минимального коэффициента затухания. Такое волокно называется волокном со сдвинутой дисперсией. Другой способ изменения дисперсии – изменение размера сердцевины и показателей преломления материала сердцевины и оболочки. Поскольку материалы для волоконной оптики уже высоко оптимизированы для низкого рассеяния и высокой прозрачности, были исследованы альтернативные способы изменения показателя преломления. В качестве простого решения были разработаны конические волокна, волокна с отверстиями или фотонные кристаллы (PCF). По сути, они заменяют оболочку воздухом. Это улучшает контрастность показателей преломления в десять раз. Следовательно, эффективный индекс изменяется, особенно для больших длин волн. Этот тип изменения показателя преломления в зависимости от длины волны, обусловленный различной геометрией, называется волноводной дисперсией. Поскольку эти узкие волноводы (диаметр сердцевины ~1–3 мкм) сочетаются с ультракороткими импульсами на нулевой дисперсионной длине волны, импульсы не разрушаются дисперсией мгновенно. После достижения определенной пиковой мощности внутри импульса нелинейный показатель преломления начинает играть важную роль, приводя к процессам генерации частоты, таким как самофазовая модуляция (SPM), модуляционная неустойчивость, генерация солитонов и расщепление солитонов, перекрестная фазовая модуляция (XPM) и другие. Все эти процессы генерируют новые частотные компоненты, то есть входной свет с узкой полосой пропускания расширяется до широкого спектра новых цветов посредством процесса, называемого генерацией сверхнепрерывного спектра. Этот термин также используется в более широком смысле для многомодовых оптических волокон, где он относится к длине волны, при которой дисперсия материала минимальна, то есть, по сути, равна нулю. Это более точно называется минимальной дисперсионной длиной волны.
In a single mode optical fiber, the zero dispersion wavelength is the wavelength or wavelengths at which material dispersion and waveguide dispersion cancel one another. In all silica based optical fibers, minimum material dispersion occurs naturally at a wavelength of approximately 1300 nm. Single mode fibers may be made of silica based glasses containing dopants that shift the material dispersion wavelength, and thus, the zero dispersion wavelength, toward the minimum loss window at approximately 1550 nm. The engineering tradeoff is a slight increase in the minimum attenuation coefficient. Such fiber is called dispersion shifted fiber. Another way to alter the dispersion is changing the core size and the refractive indices of the material of core and cladding. Because fiber optic materials are already highly optimized for low scattering and high transparency alternative ways to change the refractive index were investigated. As a straightforward solution tapered fibers and holey fibers or photonic crystal fibers (PCF) were produced. Essentially they replace the cladding by air. This improves the contrast of refractive indices by a factor of 10. Therefore, the effective index is changed, especially for longer wavelengths. This type of refractive index change versus wavelength due to different geometry is called waveguide dispersion. As these narrow waveguides (~1 3 μm core diameter) are combined with ultrashort pulses at the zero dispersion wavelength pulses are not instantly destroyed by dispersion. After reaching a certain peak power within the pulse the non linear refractive index starts to play an important role leading to frequency generation processes like self phase modulation (SPM), modulational instability, soliton generation and soliton fission, cross phase modulation (XPM) and others. All these processes generate new frequency components, meaning that input light with narrow bandwidth expands into a wide range of new colours, through a process called supercontinuum generation. The term is also used, more loosely, in multi mode optical fiber. There, it refers to the wavelength at which the material dispersion is minimum, i. e. essentially zero. This is more accurately called the minimum dispersion wavelength.
Наклон нулевой дисперсии
Скорость изменения дисперсии относительно длины волны в точке нулевой дисперсии называется наклоном нулевой дисперсии. Одномодовые волокна с двойной и четверной оболочкой имеют две точки нулевой дисперсии.
The rate of change of dispersion with respect to wavelength at the zero dispersion point is called the zero dispersion slope. Doubly and quadruply clad single mode fibers have two zero dispersion points.