Nemline´ aris optikai hat´ asok nagy teljes´ıtm´ eny˝ u sz´ all´ ezerekben ´ es f´ azis´ erz´ ekeny er˝ os´ıt˝ okben u ´ jszer˝ u modellez´ esi eszk¨ oz¨ ok, k´ıs´ erletek
´ Szab´o Aron D´enes okl. m´ern¨ok-fizikus T´avk¨ozl´esi ´es M´ediainformatikai Tansz´ek Budapesti M˝ uszaki ´es Gazdas´agtudom´anyi Egyetem
A PhD t´ezisek ¨osszefoglal´asa Villamosm´ern¨oki Tudom´anyok Doktori Iskola Konzulens: Dr. Cinkler Tibor, DSc T´ars-konzulens: Dr. V´arallyay Zolt´an, PhD
Budapest, Magyarorsz´ag 2014.
ii
1
Bevezet˝ o 1.1
El˝ osz´ o
A nemline´ aris optikai eszk¨ oz¨ ok elterjed´ese a korai ’90-es ´evekben kezd˝od¨ott, amikor az optikai ¨ osszek¨ ottet´eseket robban´asszer˝ uen kezdt´ek haszn´alni vil´agszerte [1]. Ezen eszk¨ oz¨ ok legfontosabb tulajdons´aga – amelyet a defin´ıci´ojuknak tekinthet¨ unk –, hogy egyes optikai jellemz˝ oik nem csup´an a benn¨ uk terjed˝o f´eny hull´amhossz´at´ol f¨ uggnek, hanem az intenzit´ as´ at´ ol is. Ez gyakran parazita effektus optikai sz´alakban ´es sz´all´ezerekben, amely rontja a jel ´es a nyal´ab min˝os´eg´et [2],[3]-[6] valamint cs¨okkenti az optikai jel´atviteli kapcsolattal ´ athidalhat´o t´avols´agot. Ennek ellen´ere a nemlinearit´asok kiakn´ az´ asa lehet˝ ov´e teszi stabil, ultrar¨ovid impulzus´ u sz´all´ezerek [7]-[10] valamint nagysebess´eg˝ u optikai jelfeldolgoz´ o eszk¨oz¨ok k´esz´ıt´es´et, u ´gymint hull´amhossz konverterek ¨ [11]-[12] ´es jelregener´ atorok [13, J3]. Osszegezve, a nemline´aris optikai hat´asokat hat´arozottan figyelembe kell venni a napjaink fotonikai eszk¨ozeivel kapcsolatos elm´eleti ´es k´ıs´erleti munk´ akban, kell˝ oen nagy teljes´ıtm´eny˝ u m˝ uk¨od´es eset´en. A disszert´ aci´ om h´ arom k¨ ul¨on´all´o t´eziscsoportb´ol ´ep¨ ul fel.
Az els˝o csoportot a
nagyteljes´ıtm´eny˝ u, folytonos u ¨zem˝ u sz´all´ezerek ´es sz´aler˝os´ıt˝ok matematikai ´es sz´am´ıt´og´epes modellez´es´enek szentelem, egybek¨otve a k¨olcs¨onhat´o line´aris ´es nemline´aris optikai hat´ asok vizsg´ alat´ aval, melyek a m˝ uk¨od´est befoly´asolj´ak. A m´asodik csoportban bemutatom a periodikusan polariz´alt l´ıtium-niob´at (PPLN) hull´amvezet˝ok¨on alapul´ o f´ azisregener´ atorok k´ıs´erleti megval´os´ıt´as´at, m´ıg a harmadik csoportban a PPLNek, mint t¨ obbcsatorn´ as rendszerekben lehets´eges f´azis´erz´ekeny er˝os´ıt˝ok (phase-sensitive amplifier, PSA) vizsg´ alat´ ara f´okusz´alok.
1
˝ 1. BEVEZETO
1.2
Nagyteljes´ıtm´ eny˝ u sz´ all´ ezerek ´ es sz´ aler˝ os´ıt˝ ok
Az optikai ritkaf¨ oldf´em adal´ekol´ as´ u sz´ all´ezerek ´es sz´aler˝os´ıt˝ok ´ıg´eretesek a j¨ov˝o nagyteljes´ıtm´eny˝ u l´ezerrendszereiben, ´es sz´eles ter¨ uleten alkalmazt´ak m´ar sikerrel ˝oket [14],[15][16]. A sz´all´ezerek egy alapvet˝ o jellemz˝oje, hogy olyan hull´amhosszakon teszik lehet˝ov´e j´o min˝os´eg˝ u nyal´ abok el˝ o´ all´ıt´ as´ at, amelyeken a t¨omb l´ezerek kev´esb´e, pl. erbium, ytterbium (Yb), thulium, neodymium sz´ all´ezerek. A folytonos u ¨zem˝ u (continuous-wave, CW) sz´all´ezerek els˝ odleges alkalmaz´ asi ter¨ uletei a mikromechanikai megmunk´al´as, ipari v´ag´as ´es hegeszt´es valamint katonai v´edelmi c´elok [17]-[20]. Az Yb-adal´ekol´as´ u sz´all´ezerekr˝ol bebizonyosodott, hogy alkalmasak rekord kimeneti teljes´ıtm´eny – ak´ar 10 kW [21] – el˝o´all´ıt´ as´ ara CW u ¨zemben, mik¨ ozben j´o min˝os´eg˝ u nyal´abot k´epsesek szolg´altatni. A nagy f´enyerej˝ u, multim´ odus´ u l´ezerdi´ od´ak kombin´alt alkalmaz´asa [22] dupla k¨openy˝ u sz´alakkal [23]-[24] teszi lehet˝ ov´e ezen k¨ openybe pump´alt sz´all´ezerek valamint sz´aler˝os´ıt˝ok fejleszt´es´et, a magba pump´ al´ ashoz k´epest a pump´al´asi sz¨og ´es keresztmetszet nagyobb toleranci´aj´aval, ´es a pump´ al´ o l´ezer´en´el k¨ozel 5 nagys´agrenddel nagyobb f´enyer˝ovel.
1.3
F´ azis´ erz´ ekeny er˝ os´ıt˝ ok
A PSA-k c´elja a jelek er˝ os´ıt´ese vagy csillap´ıt´asa a f´azisukt´ol f¨ ugg˝oen, amely sz´amos hasznos alkalmaz´ ast tesz lehet˝ ov´e, u ´gymint zajmentes er˝os´ıt´es [25], f´azismodul´alt jelek regener´al´asa [13, J3], tiszt´ an optikai logikai m˝ uveletek f´azisba k´odolt jeleken [26] vagy ultranagy prec´ızit´ as´ u optikai m´er´estechnika [27]. A jelen vizsg´alat ezek k¨oz¨ ul az optikai t´avk¨ozl´esi rendszerekben hasznos els˝o ´es m´asodik alkalmaz´asra koncentr´al. A f´azis´erz´eketlen er˝ os´ıt˝ okkel (phase-insensitive amplifier, PIA) ellent´etben a PSA-k er˝os´ıt´esi v´alasza a f´ azisra ´erz´ekeny: a val´os kvadrat´ ura komponensen nagy er˝os´ıt´es, m´ıg a k´epzetes kvadrat´ ura komponensen kis er˝os´ıt´es vagy csillap´ıt´as mutatkozik, amely alkalmass´a teszi ˝ oket a bej¨ ov˝ o jelen l´ev˝o parazita nemline´aris f´aziszaj cs¨okkent´es´ere. A PSA-kat rendszerint sz´ aloptikai parametrikus er˝os´ıt˝okkel implement´alj´ak, kihaszn´alva a n´egyhull´ am kever´es nemline´aris hat´as´at. Azonban jelenleg nagy ´erdekl˝od´es ¨ovezi a PPLN hull´ amvezet˝ okben fell´ep˝ o, kaszk´ados´ıtott m´asodharmonikus ´es k¨ ul¨onbs´egfrekvencia kelt´est, alacsony zaj´ u PSA alkalmaz´asokra. Nagy nemline´aris egy¨ utthat´ok ´erhet˝ok el mind¨ ossze n´eh´ any centim´eternyi krist´alyban, kis spont´an emisszi´o mellett ´es bels˝o frekvencia cs¨ orp n´elk¨ ul, ami lehet˝ os´eget ny´ ujt kompakt, kis k´esleltet´es˝ u, sz´eless´av´ u eszk¨oz¨ok k´esz´ıt´es´ere [28],[29]-[33] ´es m´ as optikai elemekkel t¨ort´en˝o integr´al´asra [34].
2
2
Kutat´ asi c´ elkit˝ uz´ esek 2.1
Nagyteljes´ıtm´ eny˝ u, folytonos u ¨ zem˝ u Yb-adal´ ekolt sz´ all´ ezerek ´ es er˝ os´ıt˝ ok matematikai modellez´ ese
A nemline´ aris spektr´ alis kisz´elesed´es meg´ert´ese ´es el˝orejelz´ese nagyteljes´ıtm´eny˝ u CW sz´all´ezerekben fontos probl´ema mind alapkutat´asi, mind alkalmaz´asi szempontb´ol. A gyakorlatban a l´ezer hat´ asfok´ anak cs¨okken´es´et eredm´enyezheti az´altal, hogy a spektrum kisz´elesed´ese meghaladja a Bragg r´acsok reflexi´os spektrum´anak sz´eless´eg´et. Az Ybadal´ekolt CW sz´ all´ezerek elm´eleti vizsg´alat´aban k¨ozel´ıt˝o analitikus megold´asok l´eteznek n´eh´ any watt kimeneti teljes´ıtm´eny eset´ere, n´eh´anyszor t´ız m´eteres rezon´atorra. Az id´aig publik´ alt numerikus m´ odszerek k´epesek ilyen param´eterekkel rendelkez˝o oszcill´atorok pontos le´ır´ as´ ara, azonban ezekhez megfelel˝o, nagy sz´am´ıt´asi kapacit´as´ u rendszerek sz¨ uks´egesek. Az els˝ o r´eszben a kutat´as c´elja egy gyors numerikus algoritmus megtal´al´ asa, amely k´epes a fent eml´ıtett effektusok megfelel˝o pontoss´ag´ u modellez´es´ere t¨obbsz´ az watt kimeneti teljes´ıtm´eny eset´en, de mindezt ´esszer˝ u sz´am´ıt´asi id˝o alatt, ak´ar egy kereskedelmi forgalomban kaphat´o szem´elyi sz´am´ıt´og´epen. A sz´ aler˝ os´ıt˝ ok modellez´es´eben szint´en elmondhat´o, hogy a numerikus m´odszerek alkalmazhat´ os´ aga ilyen nagy teljes´ıtm´enyek eset´en viszonylag felt´aratlan. A k¨ovetkez˝ o szakasz c´elja egy megfelel˝ o numerikus modellez´esi eszk¨oz megtal´al´asa nagy teljes´ıtm´eny˝ u sz´all´ezerekhez, a kimeneti teljes´ıtm´eny¨ uk ´es az er˝os´ıtett spont´an emisszi´o szintj´enek el˝orejelz´es´ere. Csillag k¨ openy˝ u adal´ekolt sz´alas er˝os´ıt˝oket vizsg´alok, k¨openybe pump´ alt alkalmaz´ asokhoz. Mind a sz´ all´ezerek, mind a sz´aler˝os´ıt˝ok fel´ep´ıtett modelljeit ´atfog´oan valid´ altam m´er´esek seg´ıts´eg´evel.
3
´ ´ ˝ ESEK ´ 2. KUTATASI CELKIT UZ
2.2
PPLN-alap´ u f´ azis´ erz´ ekeny er˝ os´ıt˝ ok ´ es f´ azisregener´ atorok matematikai modellez´ ese ´ es k´ıs´ erleti megval´ os´ıt´ asa
PSA-kat ´es a feketedoboz-jelleg˝ u f´ azisregenr´atorokat bin´arisan f´azismodul´alt (binary phase shift keying, BPSK) jelekre kor´ abban m´ar megval´os´ıtottak, az er˝osen nemline´aris sz´alakban (highly nonlinear fiber, HNLF) fell´ep˝o n´egyhull´am-kever´est alkalmazva. A k¨ovetkez˝o r´esz c´elja, hogy bemutassa az els˝o PPLN-alap´ u, tiszt´an optikai, feketedobozjelleg˝ u f´azisregener´ ator k´ıs´erleti megval´ os´ıt´as´at BPSK jelekhez. Egy feketedoboz-jelleg˝ u regener´ator k¨ ozel ´ all a gyakorlatban alkalmazhat´o vonali f´azisregener´atorokhoz abban az ´ertelemben, hogy a bemenet´en nincs sz¨ uks´eg a modul´alt jel pontos hordoz´ohull´amj´ara, a hordoz´o hull´ am rekonstrukci´ oj´ at maga v´egzi el egy bele´ep´ıtett rendszerrel. Az elrendez´es kiakn´azn´ a a PPLN-ek kompakts´ ag´at, Brillouin sz´or´ast´ol mentes m˝ uk¨od´es´et ´es az kicsi spont´an emisszi´ os zajszintet, ezzel rugalmas alternat´ıv´aj´at teremtve a nemline´aris sz´alon alapul´ o konfigur´ aci´ oknak. M´ıg a fenti k´ıs´erleti elrendez´es fel´ep´ıt´ese olyan, hogy egyetlen hull´amhosszon val´os´ıtson meg regener´ al´ ast az 1550 nm-es ablakban, addig a PPLN-ek egy f˝o el˝onye a lehet˝os´eg t¨obb hull´amhossz´ u csatorna egyidej˝ u, ultrakicsi zaj´ u f´azis´erz´ekeny er˝os´ıt´es´ere, m´ers´ekelt csatornak¨ozi ´ athall´ as mellett, amely az alkalmazott m´asodrend˝ u nemline´aris hat´asok eredm´enye.
Mivel a PPLN-ek v´eges kv´azi f´azisilleszt´esi s´avja sz˝ ur˝ok´ent hathat a
parazita ´athall´ asi term´ekekre, ez ´ athall´as szempontj´ab´ol el˝onyt jelenthet a nemline´aris sz´alakat alkalmaz´ o parametrikus er˝ os´ıt˝ okh¨oz k´epest, hull´amhossz oszt´asos (wavelength division multiplexed, WDM) rendszerekben. Az utols´o szakasz c´elja egy k´ıs´erletileg valid´alt numerikus modell kifejleszt´ese, amellyel el˝ore jelezhet˝o t¨obb WDM csatorna k¨oz¨otti ´athall´ as PPLN PSA l´ ancokban, valamint az ´athall´as ¨osszehasonl´ıt´asa a parametrikus er˝os´ıt˝o l´ancokban keletkez˝ o´ athall´ assal, k¨ ul¨onb¨oz˝o ´atviteli param´eterek eset´en. T¨obb csatorna egyidej˝ u f´ azis¨ osszenyom´ as´ anak hat´ekonys´ag´at is vizsg´alom, kiz´ar´olag k´ıs´erleti u ´ton.
4
3
M´ odszertan 3.1
Nemline´ aris hull´ amterjed´ es optikai sz´ alakban
Jelen dolgozatban a CW sz´ all´ezerek modellez´es´ehez az egym´odus´ u optikai sz´alakra megalapozott impulzusterjed´es elm´elet´enek ´altal´anos´ıt´as´at haszn´alom [35]. Az ¨onf´azismodul´ aci´ on fel¨ ul, a sz´ all´ezerekre megoldott nemline´aris Schr¨odinger egyenlet (nonlinear Schr¨ odinger equation, NLSE) mag´aban foglalja a csoportsebess´eg diszperzi´o ´es a csillap´ıt´ as hat´ as´ at, m´ıg sz´ aloptikai parametrikus er˝os´ıt˝ok eset´en a keresztf´azis modul´aci´oval ´es a n´egyhull´ am kever´essel is sz´amolok. A k´ıs´erleti valid´al´asnak megfelel˝oen a magasabb rend˝ u nemlinearit´ asokat: a Raman sz´or´ast, az impluzusmeredeks´eg n¨oveked´es´et ´es az optikai sokkok k´epz˝ od´es´et elhanyagolom a vizsg´alatokban, ´es a szimmetrikus split-step Fourier m´ odszerrel oldom meg az egyenleteket.
3.2
A l´ ezerk¨ ozeg le´ır´ asa
A sz´ all´ezerek ´es adal´ekolt sz´aler˝os´ıt˝ok t´argyal´as´aban a reduk´alt k´etszintes m´erlegegyenletek a teljes´ıtm´enyv´ altoz´ast le´ır´o egyenletekkel kombin´alva ker¨ ulnek megold´asra [36]-nek megfelel˝ oen. A modellez´esben az Yb sz´al reduk´alt k´etszintes k¨ozeggel k¨ozel´ıthet˝ o, mivel gyors nemsug´ arz´ asos ´atmenetek t¨ort´ennek a metastabil ´allapotba [37]. Az er˝ os´ıt˝ ok modellez´esekor azok spektr´alis tulajdons´agaira koncentr´alok, ehhez az effekt´ıv ´ atfed´esi integr´ al (effective overlap integral, EOI) modellt haszn´alom, ahogy sz´all´ezerek eset´eben is.
A modellben az adal´ekolt sz´al t´erbeli tulajdons´agait ´es a
m´oduseloszl´ ast az ´ atfed´esi integr´allal jellemzem, tov´abb´a stacioner popul´aci´oinverzi´ ot t´etelezek fel minden sz´ am´ıt´ askor.
5
´ 3. MODSZERTAN
3.3
CW l´ ezerek modellez´ ese: a f´ azis sztochasztikus v´ altoz´ asa
Ahogy kor´abban eml´ıtettem, a sz´ alakban val´o nemline´aris impulzusterjed´es le´ır´as´anak megalapozott m´ odszereit ´ altal´ anos´ıtani kell CW nyal´abok kezel´es´ere, figyelembe v´eve azok v´eges vonalsz´eless´eg´et. A nyal´ abokat parci´alisan koherensnek tekintj¨ uk t¨ok´eletesen koherens helyett, azaz a koherenciahossz a nyal´abban el˝ofordul´o impulzusok sz´eless´eg´en´el kisebb [35]. A parci´ alisan koherens nyal´abok f´azis ´es intenzit´as fluktu´aci´okat egyar´ant mutatnak, egym´ odus´ u sz´ alakban val´o terjed´es¨ uket a f´azisdiff´ uzi´os modell [38][40] seg´ıts´eg´evel ´ırom le, ahol a sz´ alba csatolt, ´alland´o teljes´ıtm´eny˝ u nyal´ab f´azis´anak id˝of¨ ugg´es´et Wiener folyamattal k¨ ozel´ıtik.
3.4
M´ asodrend˝ u nemlinearit´ asok PPLN-ben
H´arom egy¨ utt terjed˝ o, koherens elektrom´agneses hull´am k¨oz¨ott a m´asodrend˝ u nemline´aris k¨ozegben h´ arom k¨ ul¨ onb¨ oz˝ o hat´as j¨ohet l´etre, hull´amhosszukt´ol ´es f´azisukt´ol f¨ ugg˝oen: m´asodharmonikus-kelt´es (second-harmonic generation, SHG), ¨osszegfrekvencia-kelt´es (sum-frequency generation, SFG), valamint k¨ ul¨onbs´egfrekvencia-kelt´es (difference-frequency generation, DFG). A kisebb frekvenci´ aj´ u hordoz´ o hull´ amokat az 1550 nm-es telekommunik´aci´os ablakban elhelyezve a m´ asodharmonikus 780 nm k¨ozel´eben lesz.
Amikor egy pump´al´o
hull´amot ´es k´et k¨ ul¨ on´ all´ o hull´ amot, a pumpa k¨or¨ uli szimmetrikus frekvenci´aval ´es megfelel˝o relat´ıv f´ azissal a hull´ amvezet˝obe csatolunk, a SHG, SFG ´es DFG folyamatok egyid˝oben jelennek meg, amit kaszk´ados´ıtott m´asodrend˝ u folyamatnak nevez¨ unk. Mivel a pumpa kiv´etel´evel a bemeneti hull´amok ´altal´aban f´azismodul´altak a PSA elrendez´esekben, ebben a munk´ aban a kisebb frekvenci´aj´ u hull´amot signal -nak, m´ıg a m´asikat idler -nek nevezz¨ uk a tov´ abbiakban. A PSA k´ıs´erletekben rendszerint – ahogy itt is – egy signal-hoz ´es pump´ ahoz f´ azisban korrel´alt idler keletkezik az els˝o fokozatban zajb´ol, ezzel egy k´es˝ obbi fokozatban el´erhet˝o a signal f´azisregener´al´asa. A h´arom hull´ amra v´egbemen˝ o kaszk´ados´ıtott folyamatra l´etez˝o egyenleteket [31] ´altal´anos´ıtom a munk´ amban, azon c´elb´ol, hogy le´ırj´ak a kaszk´ados´ıtott folyamatot szomsz´edos hull´ amhossz´ u csatorn´ akra a WDM hull´amhossz kioszt´ason, ´es megadj´ak a csatorn´ak k¨ ozti ´ athall´ as m´ert´ek´et. Az ´altal´anos´ıtott egyenleteket v´eges differrencia m´odszerrel oldom meg.
6
4
´ eredm´ Uj enyek 4.1
Nagyteljes´ıtm´ eny˝ u, folytonos u ¨ zem˝ u sz´ all´ ezerek ´ es er˝ os´ıt˝ ok modellez´ ese
´ 1. t´ ezis: Ujszer˝ u matematikai modelleket fejlesztek ki nagyteljes´ıtm´eny˝ u, CW, k´et ir´ anyban pump´ alt, line´ aris alak´ u, Yb-adal´ekolt sz´all´ezerekhez ´es nagy teljes´ıtm´eny˝ u Yb-adal´ekolt sz´ aler˝ os´ıt˝okh¨oz. K´ıs´erletek seg´ıts´eg´evel valid´alom a modelleket. 1.1. t´ezis: Kifejlesztek egy u ´jszer˝ u, gyors numerikus modellt nagyteljes´ıtm´eny˝ u, CW, k´et ir´ anyban pump´ alt, line´ aris alak´ u, Yb-adal´ekolt sz´ all´ezerekhez. K´ıs´erletileg valid´ alom a modellt eg´eszen 708 W kimeneti teljes´ıtm´enyig. A terjed´esi megold´ o mag´ aban foglalja a nemline´ aris Schr¨ odinger egyenletet ´es a m´erleg-egyenleteket, m´ıg a terjed´es sz´ am´ıt´ as´ anak kezdeti felt´etelei egy f´ azisdiff´ uzi´ os modell kimenet´enek iterat´ıv spektr´ alis sz˝ ur´es´en alapulnak. Ez t¨ obb mint egy nagys´ agrend cs¨ okken´est tesz lehet˝ ov´e a sz´ am´ıt´ asi id˝ oben, ¨ osszevetve a m´ ar publik´ alt kezdeti zaj iterat´ıv v´ altoz´ as´ aval egy effekt´ıv terjed´esi vonalon. A disszert´ aci´ o 4. fejezete Kapcsol´ od´ o publik´ aci´ ok: [C1],[J1] A modell a a teljes´ıtm´eny v´altoz´assal ´es m´erleg-egyenletekkel kombin´alt NLSEn alapszik.
A kezdeti, el˝ore ´es h´atra ir´anyban halad´o CW l´ezer nyal´abokat
spektr´ alisan sz˝ urt parci´alisan koherens nyal´aboknak t´etelezem fel, hozz´aadott ”egy foton per m´ odus” zajjal, miel˝ott az becsatol´asra ker¨ ul a sz´alba. A kezdeti nyal´ ab param´etereket az iter´aci´os elj´ar´assal sz´amolom. A kifejlesztett modellt
7
´ EREDMENYEK ´ 4. UJ
´ Abra 4.1: A valid´ al´ asra haszn´alt k´ıs´erleti elrendez´es
alaposan valid´ alom m´er´esekkel. A k¨openybe pump´alt osztcill´ator k´ısorleti elrendez´ese a 4.1. ´ abr´ an l´ athat´ o. A 20 m hossz´ u Yb-adal´ekol´as´ u sz´alat egy nagy reflektivit´as´ u, sz´ alba integr´ alt Bragg r´ acs (high reflection, HR) ´es egy kicsatol´o (output coupler, OC) hat´ arolja, ´es t¨ obb multim´odus´ u l´ezerdi´oda pump´alja, melyeket OFS kombin´ al´ ok csatolnak a sz´ alba mind el˝ore, mind h´atra ir´anyb´ol. A CW l´ezer kimeneti spektr´ alis teljes´ıtm´eny s˝ ur˝ us´eg´et kisz´am´ıt´o algoritmus h´arom k¨ ul¨onb¨ oz˝ o iter´ aci´ os fokozatb´ ol ´ all, amelyet a disszert´aci´oban egy r´eszletes folyamat´abra szeml´eltet. Az algoritmus minden fokozat´aban a visszafel´e halad´o signal spektr´ alis teljes´ıtm´eny´et a HR-n´el iterat´ıvan hat´arozza meg a reflexi´o el˝ott, egy megfelel˝ o signal visszacsatol´o f¨ uggv´ennyel val´o szorz´assal, miel˝ott az el˝ore ´es h´atrafel´e halad´ o signal-okra ´es pump´akra megoldan´a a terjed´est. Mindegyik fokozat megtal´ alja az optim´ alis visszacsatol´o f¨ uggv´enyt, hogy megadott pontoss´aggal teljes¨ uljenek a peremfelt´etelek. Az 1. fokozat c´elja k¨ ozel´ıt˝ o signal teljes´ıtm´enyek kisz´am´ıt´asa, ´es a nemline´aris spektr´ alis kisz´elesed´est ekkor nem veszem figyelembe. ´Igy az Yb-adal´ekolt sz´alban t¨ort´en˝ o terjed´es minden diszperz´ıv ´es nemline´aris effektust elhanyagol, ´es kiz´ar´olag a spektr´ alis komponensek er˝ os´ıt´es´ere korl´atoz´odik. Az ebben a szakaszban haszn´alt modell az effekt´ıv ´ atfed´esi integr´ al k¨ozel´ıt´esen alapszik. A 2. fokozat c´elja, hogy egy Lorentz f¨ uggv´eny form´aj´aban durva becsl´est adjon a h´atrafel´e halad´ o signal spektr´ alis alakj´ara a HR-hez k¨ozel, amit a f´azisdiff´ uzi´os modell alkalmaz´ as´ aval ´erek el a f´azis id˝obeli v´altoz´as´ara. A 2. fokozat terjed´esi megold´ oja a NLSE-n alapszik egy hozz´aadott er˝os´ıt´esi taggal, amellyel a nemline´ aris k¨ ozegben t¨ ort´en˝ o l´ezerer˝os´ıt´est modellezem mind az el˝ore, mind a h´atrafel´e halad´ o signal nyal´ abokra. A 3. fokozatban egy spektr´ alis sz˝ ur˝o f¨ uggv´enyt vezetek be, melynek c´elja a m´ar kisz´am´ıtott Lorentz spektrum pontos´ıt´asa. Ez a fokozat [40] ¨otlet´en alapszik, ahol a nagy teljes´ıtm´eny˝ u CW nyal´abok spektr´alis kisz´elesed´es´et vizsg´alt´ak a sz´alban val´ o terjed´es k¨ ozben. A forr´asokat sikeresen modellezt´ek egy f´azisdiff´ uzi´os
8
4.1 Nagyteljes´ıtm´ eny˝ u, folytonos u ¨ zem˝ u sz´ all´ ezerek ´ es er˝ os´ıt˝ ok modellez´ ese
´ Abra 4.2: Sz´ am´ıtott ´es m´ert kimeneti teljes´ıtm´enyek a teljes pump´al´o teljes´ıtm´eny f¨ uggv´eny´eben, (a) k´etir´ any´ u, (b) el˝ore ir´any´ u ´es (c) h´atra ir´any´ u pumpa mellett
modell kimenet´enek spektr´alis sz˝ ur´es´evel, ´ıgy visszakapt´ak a l´ezerek m´ert spektrumait. Itt ezt a koncepci´ot ´altal´anos´ıtom ´es megmutatom, hogy egy nagy teljes´ıtm´eny˝ u, Yb-adal´ekol´as´ u sz´all´ezer kimeneti spektruma el˝ore jelezhet˝o egy f´ azisdiff´ uzi´ os modell kimeneti spektrum´anak iterat´ıv sz˝ ur´es´evel, megfelel˝o iter´al´ o f¨ uggv´eny ´ altal. A fel´ep´ıtett modell valid´ al´as´at k¨ ul¨onb¨oz˝o pump´al´o s´em´akra v´egeztem el, a pump´ al´ o teljes´ıtm´enyeket 460 W-ig n¨ovelt¨ uk egy ir´anyban.
A kimeneti signal tel-
jes´ıtm´enyek a pumpa teljes´ıtm´enyek f¨ uggv´eny´eben a 4.2. ´abr´an l´athat´ok, m´ıg a m´ert ´es sz´ am´ıtott spektrumok ¨osszehasonl´ıt´as´at a 4.3. ´abra mutatja. Minden esetben nagyon j´ o egyez´est kaptam a m´ert ´es sz´am´ıtott eredm´enyek k¨oz¨ott. A sz´ am´ıt´ asokat egy 8-magos Intel Xeon
[email protected] asztali architekt´ ur´ an futtattam 16GB RAM-mal. 5 percen bel¨ uli sz´am´ıt´asi id˝oket ´ertem el ak´ar a legnagyobb pump´ al´ o teljes´ıtm´eny eset´eben is, lehet˝ov´e t´eve ´esszer˝ u id˝on bel¨ uli sz´ am´ıt´ asokat an´elk¨ ul, hogy extr´em sz´am´ıt´asi kapacit´asra lenne sz¨ uks´eg. 1.2. t´ezis: Numerikus szimul´ aci´ o ´es k´ıs´erletek seg´ıts´eg´evel els˝ ok´ent mutatom be az effekt´ıv ´ atfed´esi integr´ al m´ odszer ´erv´enyess´eg´et nagyteljes´ıtm´eny˝ u, Yb-adal´ekolt sz´ aler˝ os´ıt˝ okre, eg´eszen 1 kW kimeneti teljes´ıtm´enyig, abban az esetben, ha a
9
´ EREDMENYEK ´ 4. UJ
´ Abra 4.3: Sz´ am´ıtott (vonalak) ´es m´ert (markerek) spektr´alis teljes´ıtm´enyek a k¨ ovetkez˝ o pump´ akkal: 922 W k´etir´ any´ u pumpa teljes´ıtm´enye (folytonos vonal k¨or¨okkel), 386.1 W h´ atra ir´ any´ u pumpa teljes´ıtm´enye el˝ore ir´any´ u pumpa n´elk¨ ul (szaggatott vonal n´egyzetekkel) ´es 124.3 W el˝ ore ir´ any´ u pumpa teljes´ıtm´enye h´atra ir´any´ u pumpa n´elk¨ ul (pontozott vonal keresztekkel)
csillag alak´ u adal´ekolt sz´ alon k´etir´ any´ u k¨ openybe pump´ al´ ast alkalmaznak. Kimutatom, hogy az effekt´ıv ´ atfed´esi integr´ al ´ert´eke f¨ ugg a pump´ al´ o l´ezer numerikus apert´ ur´ aj´ at´ ol, ´es az integr´ al ´ert´eke az adal´ekolt sz´ al mag/k¨ openy ter¨ uletar´ anya valamint a mag ´es a k¨ openy k¨ or´e ´ırhat´ o k¨ or ter¨ uletar´ anya k¨ oz´e esik. A disszert´ aci´ o 5. fejezete Kapcsol´ od´ o publik´ aci´ o: [J2] Ennek a t´ezisnek a modellez´esi r´esze ism´et a teljes´ıtm´eny v´altoz´as´at le´ır´o egyenleteken ´es a -egyenleteken alapul EOI k¨ozel´ıt´es mellett, c´elja egy Yb-adal´ekol´as´ u sz´aler˝os´ıt˝ o modellez´ese k´etir´ any´ u pump´al´as mellett. A terjed´esi egyenleteket az er˝os´ıtett signal-ra, el˝ ore ´es h´ atra ir´any´ u pump´akra, valamint az el˝ore ´es h´atra ir´any´ u, er˝ os´ıtett spont´ an emisszi´ os nyal´abokra oldom meg, mindet a felbontva a frekvencia tartom´ anyban. Egy heurisztikus iter´aci´os formul´at alkalmazok, hogy megtal´ aljam a peremfelt´eteleket kiel´eg´ıt˝o megold´ast. Ez az er˝os´ıt˝o er˝os´ıt´es´et iter´alja ahelyett, hogy puszt´ an a nyal´abok telje´ıtm´eny´et v´altoztatn´a a terjed´es el˝ott. Az er˝os´ıt˝ o pontos modellez´es´ehez az abszorpci´os ´es emisszi´os hat´askeresztmetszet,
10
4.1 Nagyteljes´ıtm´ eny˝ u, folytonos u ¨ zem˝ u sz´ all´ ezerek ´ es er˝ os´ıt˝ ok modellez´ ese
´ Abra 4.4: M´ert, analitikusan sz´am´ıtott ´es szimul´alt signal kimeneti teljes´ıtm´enyek a sz´ alhossz f¨ uggv´eny´eben. A bels˝o ´abra a numerikus megold´asokb´ol kapott inverzi´os szintet mutatja, ami elegend˝ oen kicsi, ´ıgy elhanyagolhat´o.
valamint a signal EOI modell param´etereket el˝ore meghat´aroztam k´ıs´erletek u ´tj´ an. A modellt h´ arom k¨ ul¨ onb¨oz˝o kimeneti teljes´ıtm´eny tartom´anyban haszn´alom: n´eh´ any milliwatt, n´eh´ anyszor t´ız watt ´es t¨obbsz´az watt, eg´eszen 1063 W-ig. A sz´ am´ıt´ asi eredm´enyeket az ¨osszes teljes´ıtm´eny tartom´anyban k´ıs´erletekkel hasonl´ıtom ¨ ossze. Minden esetben igen j´o egyez´est kapok, ami mind a m´ert modell param´etereket, mind az EOI m´odszert valid´alja a kidolgozott iter´aci´os formul´ aval, ak´ ar 1 kW feletti kimeneti teljes´ıtm´enyek eset´en is. Az 4.4. ´abra a valid´ al´ as eredm´enyeit mutatja a n´eh´any milliwattos tartom´anyban az analitikus megold´ assal egy¨ utt, m´ıg a 4.5. ´abra a t¨obbsz´az wattos tartom´anyban mutatja be a m´ert ´es sz´ am´ıtott eredm´enyek egyez´es´et. Mivel a pump´ al´ o di´ od´ ak numerikus apert´ ur´aja k¨ ul¨onb¨ozik a n´eh´any milliwattos ´es nagyobb pump´ al´ o teljes´ıtm´enyek eset´eben a nemline´aris ¨onf´okusz´al´as miatt [41]-[42], lehets´eges ¨osszehasonl´ıtani a pumpa EOI parm´etereit a k¨ ul¨onb¨oz˝ o teljes´ıtm´eny tartom´ anyokban, alkalmazva a modellt. Ahogy azt a 4.4. ´abra szem´elelteti, Γ = 0.004 megfelel˝o a milliwattos pump´al´o teljes´ıtm´eny tartom´any´ aban. T¨ obbsz´ az wattos pump´al´o teljes´ıtm´eny eset´en, mindazon´altal, az eredm´enyek alapj´ an Γ = 0.0033 ´erv´enyes, ahogy az a 4.5. ´abr´an l´athat´o. Ezen k´ıv¨ ul megjegyzem, hogy a k¨ oztes teljes´ıtm´enyt jelent˝o, n´eh´anyszor t´ız wattos tartom´anyban
11
´ EREDMENYEK ´ 4. UJ
´ Abra 4.5: M´er´es ´es szimul´ aci´ o egy 1070 W kimenet˝ u er˝os´ıt˝o elrendez´eshez, Γ = 0.0033-at haszn´ alva a pumpa ´ atfed´esi integr´ alj´ ara a sz´am´ıt´asokban. Az eredm´enyek k¨ozti relat´ıv elt´er´est a k´ek keresztek jelzik, amely 2 % alatt marad
´ Abra 4.6: A csillag alak´ u k¨ opennyel rendelkez˝o sz´al keresztmetszete, rcl k¨ uls˝o sug´arral
szint´en Γ = 0.0033 bizonyul ´erv´enyesnek, ami a m´er´esek ´es sz´am´ıt´asok hasonl´o ¨osszevet´es´evel ad´ odik. A fenti Γ ´ert´ekekb˝ ol ad´ odik, hogy a vizsg´alt pump´al´o teljes´ıtm´eny tartom´anyban az EOI parameter sz´els˝ o ´ert´ekei a mag/k¨openy ter¨ uletar´any ´es a mag/k¨openy k¨or´e ´ırhat´ o k¨ or ter¨ uletar´ any, a 4.6. ´abr´anak megfelel˝oen. K¨ozb¨ uls˝o pump´al´o teljes´ıtm´enyekre ´es numerikus apert´ ur´akra az EOI ´ert´eke ezen sz´els˝o´ert´ekek k¨oz´e kell, hogy essen. H´al´as k¨ osz¨ onet illeti az OFS Laboratories-t (Somerset, NJ, USA) sz´ıves egy¨ uttm˝ uk¨od´es´e´ert a sz´ all´ezerek ´es er˝ os´ıt˝ ok k´ıs´erleti elrendez´eseinek ¨ossze´all´ıt´as´aban.
12
4.2 Tiszt´ an optikai f´ azis- ´ es amplit´ ud´ o regener´ al´ as
4.2
Tiszt´ an optikai f´ azis- ´ es amplit´ ud´ o regener´ al´ as
2. t´ ezis: Megval´ os´ıtom ´es k´ıs´erletileg elemzem az els˝o PPLN-alap´ u, tiszt´an optikai, feketedoboz-jelleg˝ u BPSK f´azisregener´atort. 2.1. t´ezis: K´ıs´erletileg megval´ os´ıtom az els˝ o, tiszt´ an optikai feketedobozjelleg˝ u PPLN-PPLN BPSK f´ azisregener´ atort. Ez a kompakt PPLN eszk¨ ozben fell´ep˝ o m´ asodrend˝ u, kaszk´ ados´ıtott nemlinearit´ asokat hasznos´ıtja, szemben a m´ ar l´etez˝ o, nemline´ aris sz´ alban fell´ep˝ o harmadrend˝ u nemlinearit´ asokon alapul´ o f´ azisregener´ atorokkal. A disszert´ aci´ o 6. fejezete Kapcsol´ od´ o publik´ aci´ ok: [C2, J3] Az 4.7. ´ abr´ an l´ athat´ o k´ıs´erleti elrendez´est a National Institute of Information and Communications Technology (NICT) Photonic Network System Laboratory (Tokyo, Japan) telephely´en k´esz´ıtettem el. A kor´abban publik´alt, HNLF-en alapul´ o elrendez´esekhez k´epest a jelen elrendez´es legf˝obb u ´jdons´aga, hogy kiz´ar´olag PPLN hull´ amvezet˝ oket hasznos´ıt mind a viv˝ohull´am helyre´all´ıt´as´ara (Modulation clearing a 4.7. ´ abr´ an), mind a PSA fokozatban. A kor´ abban publik´ alt PPLN PSA k´ıs´erletekhez k´epest az elrendez´es u ´jdons´aga a fekete doboz megval´ os´ıt´as. Azaz, m´ıg a kor´abbi PPLN PSA k´ıs´erletek a PSA m˝ uk¨ od´est egy rendelkez´esre ´all´o, modul´alatlan idler hull´ammal val´o k¨olcs¨onhat´ as seg´ıts´eg´evel ´ert´ek el, amely a signal viv˝ohull´am´aval volt f´azisban korrel´alt, az altalam megval´ ´ os´ıtott elrendez´es alkalmas arra, hogy a signal modul´aci´oj´at t¨or¨olje, ´es maga ´ all´ıtsa el˝ o az idler-t. Az el˝o´all´ıtott idler-t regener´al´asra haszn´alom az elrendez´es PSA blokkj´ aban. Az 4.7. ´ abr´ an a Noisy signal input blokk mutatja a 10 Gbps-os, BPSK jelek el˝ o´ all´ıt´ as´ at f´ azismodul´ ator seg´ıts´eg´evel, ´es a f´azis- ´es amplit´ ud´ozaj hozz´aad´as´ at v´ altoztathat´ o m´ert´ekben.
A Modulation clearing blokk helyre´all´ıtja a signal
viv˝ ohull´ am´ at, elt´ avol´ıtja r´ola a zajt ´es l´etrehozza bel˝ole az idler hull´amot. A Phase sensitive amplification blokk felhaszn´alja a kor´abban l´etrehozott idlert, hogy regener´ alja az eredetileg bej¨ov˝o, zajos signal f´azis´at. A f´azis´erz´ekeny er˝ os´ıt´eshez az ´ alland´ o optikai u ´thosszakat biztos´ıtani kell, amelyet egy elektromos f´ azisz´ art hurok v´egez (Phase locking control blokk). Az 4.7. ´abra mutatja a
13
´ EREDMENYEK ´ 4. UJ
´ Abra 4.7: A PPLN-PPLN feketedoboz-t´ıpus´ u f´azisregener´ator k´ıs´erleti elrendez´ese f´ azisviszonyokkal
14
4.2 Tiszt´ an optikai f´ azis- ´ es amplit´ ud´ o regener´ al´ as
hull´ amhosszakat (λ) ´es a f´azisokat (φ) a signal-ra, idler-re ´es a pump´ara az elrendez´es l´enyeges pontjaiban, ahol az s, p, i ´es n indexek sorrendben a signal-hoz, pump´ ahoz, idler-hez ´es a zajhoz tartoznak. 2.2. t´ezis: A f´ azisregener´ ator bemenet´en l´ev˝ o, m´ers´ekelt f´ aziszaj eset´en megmutatom, hogy a f´ aziszaj amplit´ ud´ ozajj´ a t¨ ort´en˝ o parazita konverzi´ oja minimaliz´ alhat´ o az´ altal, hogy a f´ azis´erz´ekeny er˝ os´ıt˝ o bemenet´en n¨ ovelj¨ uk a jel ´es a pumpa teljes´ıtm´enyar´ any´ at, ´es ek¨ ozben a f´ azis¨ osszenyom´ as hat´ekonys´ aga v´ altozatlan marad. A megn¨ ovekedett amplit´ ud´ ozaj ellen´ere ez azt bizony´ıtja, hogy a PPLN PSA-k potenci´ alisan alkalmasak kombin´ alt, tiszt´ an optikai f´ azis- ´es amplit´ ud´ o regener´ al´ asra egyetlen eszk¨ ozben, hogyha az er˝ osen tel´ıtett er˝ os´ıt´esi tartom´ anyban val´ o m˝ uk¨ odtet´es¨ uk a gyakorlatban megval´ osul. A disszert´ aci´ o 6. fejezete Kapcsol´ od´ o publik´ aci´ ok: [C2, J3] A regener´ al´ as hat´ekonys´ag´at a konstell´aci´on megjelen˝o f´azis ´es amplit´ ud´o sztenderd szor´ as´ anak a cs¨ okken´es´evel jellemezz¨ uk, ami a σφ−in /σφ−P SA ´es a σA−in / /σA−P SA m´ odokon sz´ am´ıthat´o, ahol az in ´es P SA indexek a bemenet ´es a PSA
´ Abra 4.8: F´ azis- ´es amplit´ ud´o ¨osszenyom´as a signal-pumpa teljes´ıtm´enyar´any f¨ uggv´eny´eben: (a) σφin = 0.453 (b) σφin = 0.484 ´es (c) σφin = 0.504
15
´ EREDMENYEK ´ 4. UJ
kimenet ´ert´ekeit jelentik. Az 4.8. ´abr´an l´athat´o a f´azis- ´es amplit´ ud´o regener´al´as hat´ekonys´ aga, a PPLN PSA bemenet´en m´ert signal-pumpa teljes´ıtm´enyar´any f¨ uggv´eny´eben. H´ arom elt´er˝ o bemeneti f´aziszaj szintn´el l´athatjuk az eredm´enyeket: (a) σφ−in = 0.453, (b) σφ−in = 0.484 ´es (c) σφ−in = 0.504, valamint ´alland´o bemeneti amplit´ ud´ ozajt (σA−in = 0.16) haszn´altam. A f´azis sz´or´as´anak ar´anyai minden esetben 1 f¨ ol¨ ott vannak, jelezve a f´azis ¨osszenyom´as´at, m´ıg az amplit´ ud´o sz´or´as´anak ar´ anyai 1 alattiak, jelezve a nem k´ıv´ant f´aziszaj-amplit´ ud´ozaj konverzi´ot. Hab´ ar a grafikonok az amplit´ ud´o ¨osszenyom´as´anak stabil n¨oveked´es´et mutatj´ ak a tel´ıtett PSA m˝ uk¨ od´es fel´e, nagyobb signal teljes´ıtm´enyekn´el, jelezve a cs¨okkent zajkonverzi´ ot. Az 4.8. (a) ´es (b) ´abr´anak megfelel˝oen levonhatjuk a k¨ovetkeztet´est, hogy m´ers´ekelt bemeneti f´aziszaj mellett a nem k´ıv´ant f´aziszajamplit´ ud´ ozaj konverzi´ o minimaliz´alhat´o a f´azis¨osszenyom´as hat´ekonys´ag´anak cs¨okkent´ese n´elk¨ ul, a signal-pumpa teljes´ıtm´enyar´any n¨ovel´es´evel a PSA bemenet´en. A f´azis ¨ osszenyom´ as´ aban mutatkoz´o cs¨okken˝o trendet a 4.8. (c) ´abr´an a nem optim´alis signal-pumpa teljes´ıtm´enyar´anynak tulajdon´ıtom a tel´ıtett u ¨zemm´odban, hasonl´ oan a parametrikus er˝ os´ıt˝on alapul´o PSA eset´ehez [13]. A signal-b´ol a pump´aknak f´ azis´erz´ekeny folyamatokon kereszt¨ ul ´atadott f´aziszaj nagyobb signal zaj eset´en n¨ ovekszik, rontva a f´ azis ¨osszenyom´as´at.
4.3 WDM csatorn´ ak tiszt´ an optikai f´ azis´ erz´ ekeny er˝ os´ıt´ ese 3. t´ ezis: Bemutatom a csatornak¨ ozi ´ athall´as els˝o ¨osszehasonl´ıt´as´at PPLN PSA l´ancokban ´es sz´ aloptikai parametrikus er˝os´ıt˝o l´ancokban egy numerikus modell seg´ıts´eg´evel, valamint k´ıs´erletileg valid´ alom a modellt. Els˝ok´ent vizsg´alom k´ıs´erletileg PPLN PSA-ban a WDM csatorn´ak nemline´aris k¨olcs¨onhat´as´at. 3.1. t´ezis: Bemutatok egy numerikus modellt t¨ obb hull´ amhosszon l´ev˝ o er˝ os´ıtett csatorn´ ak terjed´es´enek ´es nemline´ aris k¨ olcs¨ onhat´ as´ anak szimul´ aci´ oj´ ara. A modell alkalmas tetsz˝ oleges csatornateljes´ıtm´enyek ´es f´ azisok kezel´es´ere a PSA-k bemenetein, ´ atl´ atsz´ o a modul´ aci´ os form´ akra n´ezve ´es k´ıs´erletileg valid´ alt. A disszert´ aci´ o 7. fejezete Kapcsol´ od´ o publik´ aci´ o: [J4]
16
4.3 WDM csatorn´ ak tiszt´ an optikai f´ azis´ erz´ ekeny er˝ os´ıt´ ese
A t¨ obb WDM csatorn´ as terjed´esi modellt PPLN-re a nemdegener´alt signal/idler PSA konfigur´ aci´ ora fel´ırt, kaszk´ados´ıtott SFG/DFG ´es SHG/DFG csatolt m´odusegyenleteib˝ ol [31] terjesztem ki. Kor´abban [43]-ban Yamawaku ´es t´arsai k¨ozel´ıt˝ o analitikus formul´ akat sz´ armaztattak a WDM csatorn´ak k¨ozti ´athall´as (crosstalk, XT) le´ır´ as´ ara, t¨ obbcsatorn´as, kaszk´ados´ıtott hull´amhossz konverzi´os folyamatok eset´en PPLN hull´ amvezet˝okben, a pumpa elhanyagolhat´o ki¨ ur¨ ul´ese mellett. Ezek az egyenletek alkalmazhat´ok idler keletkez´es´ere vagy f´azis´erz´eketlen er˝os´ıt´esre, azonban PSA alkalmaz´ as eset´en m´odos´ıtani kell ˝oket, hogy figyelembe vegy´ek a bej¨ ov˝ o signal-ok f´ azisait ´es a signal-ok teljes´ıtm´eny v´altoz´as´at terjed´es k¨ozben. Ennek megfelel˝ oen, a bemutatott u ´jszer˝ u terjed´esi megold´o figyelembe veszi ezen t´enyez˝ oket, tov´ abb´ a nagy teljes´ıtm´eny˝ u pump´at felt´etelez sz´amol a pumpa kiu ¨r¨ ul´es´evel is. A javasolt modell mind PIA, mind PSA m˝ uk¨od´esre ´erv´enyes, a modul´ aci´ os form´ at´ ol f¨ uggetlen ´es figyelembe vesz minden lehets´eges SFG ´es DFG folyamatot a C-s´ avban ´es a m´asodharmonikus tartom´anyba es˝o csatorn´ak k¨oz¨ott, valamint a pumpa m´ asodharmonikus´at. Mindazon´altal, elhanyagolja a signal ´es idler csatorn´ ak m´ asodharmonikusait, mivel t´avol esnek a kv´azi f´azisilleszt´esi s´ avt´ ol, az alkalmazott ˝ ors´av k¨ovetkezm´enyek´ent. A terek v´ altoz´ asait csak akkor tekintj¨ uk XT-nak, ha csatorn´ak olyan nemline´aris k¨ olcs¨ onhat´ asa okozza, amelyik elt´er a norm´al signal-degener´alt pumpa-idler folyamatt´ ol, amit [25, 28] r´eszletez. A sz´am´ıt´asok kiterjeszthet˝ok XT le´ır´as´ara t¨obb kaszk´ ados´ıtott eszk¨ oz eset´eben, egym´ast k¨ovet˝oen ¨osszeadva a XT tagokat mindegyikben. Mivel a k¨ ul¨ onb¨ oz˝ o signal csatorn´akon a PSA fokozatok ut´an megjelen˝o koherens athall´ ´ ast neh´ez k´ıs´erletileg k¨ovetni, a terjed´esi modell valid´al´as´ahoz a m´ert ´es sz´ am´ıtott spektrumokat egyetlen PIA m´asol´o fokozat ut´an hasonl´ıtom ¨ossze (4.9. abra). A valid´ ´ al´ o k´ıs´erleti ¨ossze´all´ıt´as azonos a [C4]-ban r´eszletezett PPLN-PPLN m´ asol´ o+PSA elrendez´es PIA fokozat´aval, a k´es˝obbiekben a 4.11. ´abr´an l´athat´ o. Megjegyzem, hogy k´ıs´erletileg hasonl´oan valid´altam a HNLF-alap´ u m´asol´o+PSA l´ ancok fel´ep´ıtett modellj´et, amit r´eszletesen t´argyalok a disszert´aci´oban. 3.2. t´ezis: A kifejlesztett modellt haszn´ alva, szokv´ anyos rendszerparam´eterek eset´eben megmutatom, hogy a PPLN PSA l´ ancok jobb teljes´ıtm´enyt mutatnak ´ athall´ as tekintet´eben, dense WDM rendszerekben tipikus nagy csatornasz´ am eset´en, ¨ osszehasonl´ıtva a parametrikus er˝ os´ıt˝ on alapul´ o PSA l´ ancokkal. Ez a PPLN-ek
17
´ EREDMENYEK ´ 4. UJ
´ Abra 4.9: K´ıs´erleti (a) ´es szimul´ alt (b) spektrumok a PPLN PIA fokozat ut´an
v´eges kv´ azi f´ azisilleszt´esi s´ avj´ anak k¨ ovetkezm´enye, amely sz˝ ur˝ ok´ent hat a csatorn´ ak k¨ ozti ´ athall´ asra. A disszert´ aci´ o 7. fejezete Kapcsol´ od´ o publik´ aci´ o: [J4] Fentebb egy u ´jszer˝ u modellt mutattam be a PPLN-beli ´athall´asra, de egy m´asik modell is sz¨ uletett a csatorn´ ak teljes´ıtm´eny´enek alakul´asa ´es az ´athall´as kisz´am´ıt´as´ara HNLF-alap´ u PSA l´ ancokban, a sz´aloptikai parametrikus er˝os´ıt˝okben fell´ep˝o hat´asok implement´ al´ as´ aval. Azaz, a modell mag´aban foglalja a diszperzi´ot ´es ¨onf´azis-modul´ aci´ ot minden k¨ ul¨ on´ all´o csatorn´ara. Egy¨ utt a keresztf´azis modul´aci´oval ´es a n´egyhull´ am kever´essel a k¨ olcs¨onhat´o csatornakombin´aci´ok k¨oz¨ott, a csatolt NLSE-t a szimmetrikus split-step Fourier m´odszerrel oldom meg, az elektromos terek v´ altoz´ as´ anak kisz´ am´ıt´ as´ ara [35]. A terjed´esi modellek k´ıs´erleti valid´al´as´at k¨ovet˝oen ¨ osszehasonl´ıtom a k´etf´ele eszk¨ozb˝ol ´all´o PSA l´ancokat azonos er˝os´ıt´es mellett. A sz´ am´ıt´ asi eredm´enyeket azon esetekre mutatom be, amikor mindegyik signal csatorn´ aba 0 dBm teljes´ıtm´enyt csatolunk, valamint PSA fokozatonk´ent 6 dB, 10 dB ´es 16 dB er˝os´ıt´es mellett.
Ahogy [44]-ban a szerz˝ok,
´en is ide´ alis optikai ¨ osszek¨ ottet´eseket t´etelezek fel, a kromatikus diszperzi´o ´es a polariz´ aci´ os m´ odusdiszperzi´ o t¨ ok´eletes kompenz´al´as´aval, f´azis- ´es teljes´ıtm´eny regener´ alt pump´ aval, minden PSA el˝ott f´azisz´ar´assal, valamint egy´eb nemlinearit´asokat nem veszek figyelembe. A sz´alban t¨ort´en˝o, PSA-k k¨oz¨otti terjed´est egy halmozott csillap´ıt´ assal jellemzem, amely akkora, hogy v´altozatlan signal csatorna teljes´ıtm´enyeket biztos´ıt a PSA-k ut´an elhelyezett, er˝os´ıt´est lapos´ıt´o sz˝ ur˝ok kimenetein. A sz´ am´ıtott ´athall´as ´ert´ekeket a 4.10. ´abr´an szeml´eltetem. A fels˝o sor, (a)-(c) mutatja az ´ athall´ast a m´asol´o+1PSA, m´ıg az als´o sor (d)(e) a m´ asol´ o+5PSA esetben. A 4.10. ´abra k¨ ul¨onb¨oz˝o oszlopai elt´er˝o csatorna
18
4.3 WDM csatorn´ ak tiszt´ an optikai f´ azis´ erz´ ekeny er˝ os´ıt´ ese
hull´ amhosszakhoz tartoznak. Balr´ol jobbra haladva, az oszlopok a legalacsonyabb ((a) ´es (d)), a k¨ ozepes ((b) ´es (e)) ´es a legmagasabb ((c) and (f)) frekvenci´aj´ u csatorn´ akhoz tartoznak. A csatornasz´am 4-r˝ol 18-ra n¨ovel´es´evel a nagyobb ´athall´ ast szil´ ard nyilak jelzik HNLF-re ´es szaggatott nyilak PPLN-re, hasonl´oan a k¨ ul¨ onb¨ oz˝ o eszk¨ oz¨ ok grafikonjainak a vonalst´ılus´ahoz. Megjegyzem, hogy a n¨ovekv˝ o csatornasz´ am sz¨ uks´egszer˝ uen n¨oveli az ˝ors´avot ´es v´altoztat a csatorn´ak hull´amhoszsz´ an, amit mindegyik grafikonon jel¨oltem. 4-csatorn´ as rendszerekre a HNLF-alap´ u l´ancok ´athall´asa ak´ar 9dB-lel jobb, mint a PPLN-alap´ uak´e a m´ asol´o+1PSA esetben, valamint ak´ar 12dB-lel jobb a m´asol´o+ 5PSAs esetben, a csatorn´at´ol ´es az er˝os´ıt´est˝ol f¨ ugg˝oen. A k¨ ul¨onbs´eg a legnagyobb frekvenci´ aj´ u signal csatorna eset´en a legl´atv´anyosabb, melynek a hull´amhossza a pump´ a´ehoz a legk¨ ozelebb van. 4-r˝ol 18-ra n¨ovelt csatornasz´am eset´en mind a PPLN-, mind a HNLF-alap´ u eszk¨oz¨ok eset´en nagyobb ´athall´ast kaptam, hab´ ar a n¨ oveked´es a PPLN-ek eset´eben kisebb volt. Ez 18 csatorna eset´en nagyobb athall´ ´ ast eredm´enyezett a HNLF-alap´ u eszk¨oz¨okre, mint a PPLN-alap´ uakra, a m´ asol´ o+1PSA ´es a m´ asol´o+5PSA l´ancokn´al rendre legfeljebb 8dB-lel ´es 7dBlel.
Mindazon´ altal a legnagyobb frekvenci´aj´ u signal csatorn´ara a PPLN-ben
sz´ am´ıtott ´ athall´ as csak 16dB f´azis´erz´ekeny er˝os´ıt´esn´el v´alik kisebb´e. Ezt a jelent˝ os k¨ ul¨ onbs´eget az ´ athall´ as n¨oveked´es´eben PPLN- ´es HNLF-alap´ u PSA-k k¨oz¨ott a
´ ´ Abra 4.10: Athall´ as ¨ osszehasonl´ıt´asa HNLF ´es PPLN PSA l´ancokban k¨ ul¨onb¨oz˝o signal csatorn´ akban: m´ asol´ o+1PSA (fels˝o sor), m´asol´o+5PSAs (als´o sor)
19
´ EREDMENYEK ´ 4. UJ
v´eges kv´ azi f´ azisilleszt´esi s´ avnak tulajdon´ıtom, korl´atozva a SFG ´es DFG term´ekeket nagy csatornasz´ am eset´en. Ez a sz˝ ur˝o mechanizmus kev´esb´e jelent˝os HNLF eset´en, ezzel sz´elesebb hull´ amhossz tartom´anyban hozva l´etre ´athall´ast, mint a PPLN eset´en. A -10 dBm ´es 5 dBm signal csatorna teljes´ıtm´enyekre megism´etelt sz´am´ıt´ asok a fentiekhez hasonl´ o trendeket t´artak fel. 3.3. t´ezis: K´ıs´erletek seg´ıts´eg´evel megmutatom, hogy t¨ obb csatorna f´ azis¨ osszenyom´ as´ anak m´ert´eke PPLN-alap´ u PSA-kban k¨ ozel f¨ uggetlen a csatornasz´ amt´ ol felfel´e 9 csatorn´ aig, valamint f¨ uggetlen a csatornak¨ ozt˝ ol lefel´e 50 GHz-ig, alkalmass´ a t´eve a PPLN PSA-kat nagy csatornasz´ am melletti m˝ uk¨ od´esre. A disszert´ aci´ o 7. fejezete Kapcsol´ od´ o publik´ aci´ ok: [C3, C4] Az elrendez´est szint´en az NICT Photonic Network System Laboratory-ban k´esz´ıtettem a PPLN PSA-k ´ athall´ as´ anak k´ıs´erleti vizsg´alat´ahoz. A signal hull´amhosszakat 50 GHz-es csatornaoszt´ asra ´ all´ıtottam 1554.12 nm ´es 1557.36 nm k¨oz¨ott, hogy sz¨ uks´eges, nagy teljes´ıtm´eny˝ u erbium adal´ekol´as´ u sz´aler˝os´ıt˝ok (erbium-doped fiber ampilifier, EDFA) optim´ alis er˝ os´ıt´esi tartom´any´aba essenek. A k¨ovetkez˝o regener´al´ asi m´er´esekhez minden signal ´athalad a PPLN A-n, amely ´ıgy PIA-k´ent viselkedik, ahol a f´ azisban korrel´alt idler hull´amok keletkeznek. A signal/idler p´arok ezut´ an elv´ alnak a pump´ at´ ol egy WDM oszt´o k¨ ul¨onb¨oz˝o ´again (Interferometer egys´eg). A signal karon 10 Gbps BPSK jelet modul´alok minden signal/idler p´arra. Az Interferometer ´ againak optikai u ´thosszait egy f´azisz´art hurok egyenl´ıti ki, hasonl´ oan a 4.7. ´ abra elrendez´es´ehez. Ezt k¨ovet˝oen a pump´at u ´jra kombin´alom a signal-okkal ´es idler-ekkel, ami ´altal a signal/idler p´arok mindegyik´en jelen l´ev˝o modul´ aci´ o (φdata ) az u ´jrakombin´alt hull´amok relat´ıv f´azistol´as´av´a v´altozik ´at. Az er˝ os´ıt´est k¨ ovet˝ oen a kombin´alt pumpa ´es signal/idler p´arok a PPLN B-be jutnak, amely ´ıgy PSA-k´ent m˝ uk¨odik, regener´alva a BPSK szimb´olumok f´azis´at. Offline jelanal´ızist hajtok v´egre k¨ ul¨onb¨oz˝o signal/idler kombin´aci´okkal, a f´azis´erz´ekeny ´es f´ azis´erz´eketlen m˝ uk¨od´est pedig az idler-ek elnyom´as´aval hasonl´ıtom ¨ ossze. Kezdetben, minden m´as csatorn´at blokkolva, k¨ ul¨on minden signal csatorn´ at m´ertem felv´ altva f´ azis´erz´eketlen ´es f´azis´erz´ekeny m´odban. Az ¨osszehasonl´ıt´ ast a megfelel˝ o idler blokkol´as´aval vagy ´atenged´es´evel v´egeztem a programozhat´ o sz˝ ur˝ oben. K¨ ovetkez˝onek, minden signal-t ´es idler-t ´atengedve, a k¨oz´eps˝ o csatorn´ an (λS5 ) m´ertem a konstell´aci´ot. Ekkor az elj´ar´ast megism´eteltem
20
4.3 WDM csatorn´ ak tiszt´ an optikai f´ azis´ erz´ ekeny er˝ os´ıt´ ese
´ Abra 4.11: K´ıs´erleti elrendez´es a modell valid´al´as´ahoz, valamint t¨obbcsatorn´as f´ azis¨ osszenyom´ as hat´ekonys´ ag´ anak m´er´es´ehez
21
´ EREDMENYEK ´ 4. UJ
´ Abra 4.12: A k¨ oz´eps˝ o csatorn´ ara kapott konstell´aci´ok, ha minden signal-t haszn´alok (a) f´ azis´erz´eketlen ´es (b) f´ azis´erz´ekeny m˝ uk¨od´eskor, valamint (c) a σφ−P IA /σφ−P SA and σA−P IA /σA−P SA ar´ anyok a csatornaoszt´as f¨ uggv´enyek´ent
u ´gy, hogy a signal-t ´es a hozz´ a tartoz´o idler-t a λS2 , λS4 , λS6 , λS8 hull´amhosszakon blokkoltam, ezzel 5*100 GHz oszt´as´ u csatorn´akat hagyva, m´ıg v´eg¨ ul λS3 -at ´es λS7 -et szint´en blokkoltam, 3*200 GHz csatornaoszt´ast meghagyva. Minden esetben a m´ert konstell´ aci´ okat elemeztem ´es a f´azis¨osszenyom´as hat´ekonys´ag´at a σφ−P IA /σφ−P SA ar´ any megad´ as´ aval hasonl´ıtottam ¨ossze, ahol a P IA index a blokkolt idler-rel elv´egzett m´er´eseket jelenti. Az ar´anyt pozit´ıvnak m´ertem, minden esetben 1.5-1.6 k¨ oz¨ ottinek, jelezve a f´azis ¨osszenyom´as´at. A 4.12. (a) ´es (b) ´abr´ an a konstell´ aci´ os diagramok p´eld´ai l´athat´ok az 5. csatorn´ara, amikor az ¨osszes t¨ obbi, 50 GHz-es csatorna jelen van, f´azis´erz´eketlen ´es f´azis´erz´ekeny esetben is. A csatornaoszt´ as v´ altoztat´as´anak a k¨oz´eps˝o (5.) csatorna m´ert konstell´aci´ oj´ ara gyakorolt hat´ as´ at a 4.12. (c) ´abra mutatja, ahol a f´azisok ´es amplit´ ud´ok sz´ or´ as´ anak ar´ anyait l´ athatjuk a m´ert konstell´aci´okra, a csatornaoszt´as f¨ uggv´eny´eben. A 4.12. (a) ´es (b) ´ abra konstell´ aci´oib´ol k¨ovetkezik, hogy a m´asodik PPLN bemenet´en jelen l´ev˝ o idler a signal f´azis jelent˝osen osszenyom´as´at eredm´enyezi. A 4.12. (c) ´ abr´ an a csatornasz´ am f¨ uggv´eny´eben a f´azis¨osszenyom´as m´ert´eke az 5. csatorn´ ara alig v´ altozott, jelezve, hogy a plusz csatorn´ak jelenl´ete nem befoly´asolja a f´ azis¨ osszenyom´ as hat´ekonys´ag´at a PPLN-PPLN PSA-ban, ´es hogy a szomsz´edos csatorn´ akb´ ol sz´ armaz´o ´athall´asnak nincs hat´asa erre a f´azis´erz´ekeny k¨olcs¨onhat´ asra, m´eg 50 GHz csatornaoszt´as eset´en sem.
22
5
Az eredm´ enyek alkalmazhat´ os´ aga Az 1. t´eziscsoport bemutatott eredm´enyei lehet˝ov´e teszik, hogy nagy teljes´ıtm´eny˝ u, k´et ir´anyb´ ol pump´ alt Yb-adal´ekolt sz´all´ezerek ´es sz´aler˝os´ıt˝ok be´ep´ıtett elemeinek param´etereit megbecs¨ ulj¨ uk. A l´ezerek ´es er˝os´ıt˝ok sz´amos eszk¨oz param´eter´et – u ´gymint az adal´ekol´ as koncentr´ aci´ oj´ at ´es profilj´at, a t¨ ukr¨ok s´avsz´eless´eg´et ´es reflexi´os spektrumaik alakj´ at – neh´ezkes m´ odos´ıtani az elrendez´es elk´esz¨ ult´et k¨ovet˝oen, ami sz¨ uks´egess´e teszi ezen param´eterek el˝ ozetes becsl´es´et. A bemutatott modelleket haszn´alva ezek a becsl´esek t¨ obbsz´ az watt kimeneti teljes´ıtm´enyig elv´egezhet˝ok, bel´athat´o id˝on bel¨ ul, ak´ar egy kereskedelmi forgalomban kaphat´o szem´elyi sz´am´ıt´og´epen is. A 2. t´eziscsoportban bemutatom egy kiz´ar´olag PPLN-alap´ u, tiszt´an optikai, feketedoboz-t´ıpus´ u BPSK f´ azisregener´ator els˝o k´ıs´erleti megval´os´ıt´as´at ´es vizsg´alat´at. A PPLN hull´ amvezet˝ ok kompakt eszk¨oz¨ok, amelyekben benne rejlik az integr´al´as lehet˝os´ege. A munk´ am sor´ an megmutattam, hogy ezek az eszk¨oz¨ok ´ıg´eretesek a j¨ov˝o nagy sebess´eg˝ u h´ al´ ozatainak tiszt´ an optikai regener´al´as´aban. ´Igy lehet˝ov´e v´alik egyszer˝ ubb ´es olcs´ obb regener´ atorok ´ep´ıt´ese, melyek energiafelhaszn´al´asa ´es m´eretig´enye is kisebb, mint a jelenlegi, optikai-elektromos-optikai konverzi´on alapul´o regener´atorok´e. Ezen fel¨ ul a t¨ obbcsatorn´ as rendszerek eset´en jelentkez˝o, nagym´ert´ek˝ u elektrom´agneses interferencia sem lenne jelen. A PPLN-ek egy m´ asik ´ıg´eretes felhaszn´al´asa az optikai ´atvitelben a PSA t¨obb hull´ amhosszon, WDM rendszerekben, amit a 3. t´eziscsoportban vizsg´alok. A PPLNalap´ u PSA-kra megmutatom, hogy alkalmasak WDM csatorn´ak er˝os´ıt´es´ere kis ´athall´ as ´es zaj mellett. Ez k¨ ul¨ on¨ osen nagy sz´am´ u WDM csatorna eset´en igaz, ahol kisebb ´athall´ ast mutatnak, mint a sz´aloptikai parametrikus er˝os´ıt˝ot alkalmaz´o PSA-k. A kisz´ am´ıtott eredm´enyeken t´ ul, a kifejlesztett analitikus modell alkalmas r´a, hogy a
23
´ ´ AGA ´ 5. AZ EREDMENYEK ALKALMAZHATOS
j¨ov˝oben alkalmazott, PSA-n alapul´ o, ultrakicsi zaj´ u optikai ´atviteli rendszerekben fell´ep˝o csatornak¨ ozi ´ athall´ ast meghat´ arozza.
24
T´ ezisekhez kapcsol´ od´ o publik´ aci´ ok Foly´ oirat cikkek ´ [J1] Aron Szabo, Zolt´ an V´ arallyay, Andrea Rosales-Garcia and Clifford Headley, “A fast converging algorithm to predict spectral broadening in CW bidirectionally pumped high power Yb-doped fiber lasers,” Optics Letters, paper submitted, 2014. 7 ´ Szab´ [J2] Z. V´ arallyay, A. o, A. Rosales-Garcia, E. Gonzales, H. Tobioka and C. Headley, “Accurate modeling of cladding pumped, star-shaped, Yb-doped fiber amplifiers,” Optical Fiber Technology, in press, 2014. 10 ´ [J3] Aron Szabo, Benjamin J. Puttnam, D´aniel Mazroa, Satoshi Shinada and Naoya Wada, “Investigation of an All-Optical Black-Box PPLN-PPLN BPSK Phase Regenerator,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 24, pp. 2087–2089, 2012. 1, 2, 13, 15 ´ [J4] Aron Szabo, Benjamin J. Puttnam, D´aniel Mazroa, Andr´e Albuquerque, Satoshi Shinada and Naoya Wada, “Numerical comparison of WDM inter-channel crosstalk in FOPA- and PPLN-based PSAs,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 26, pp. 1503–1506, 2014. 16, 18
Konferenciacikkek ´ [C1] Aron Szabo, Zolt´ an V´ arallyay, Andrea Rosales-Garcia and Clifford Headley, “A fast numerical method to predict spectra of high power CW Yb-doped fiber lasers with bidirectional pumping,” in Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO): 2014, paper JTu4A.62, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2014) 7 ´ [C2] Aron Szab´ o, Ben Puttnam, Daniel Mazroa, Satoshi Shinada and Naoya Wada, “Schemes for Black-Box Phase Regeneration Using Phase Sensitive Amplifiers based on PPLN Waveguides,” IEICE technical report, vol. 112, pp. 7–10, 2012. 13, 15 ´ [C3] Benjamin J. Puttnam, Aron Szabo, D´aniel Mazroa, Satoshi Shinada and Naoya Wada, “Multi-channel phase squeezing in a PPLN-PPLN PSA,” Optical Fiber Commu-
25
´ ´ O ´ PUBLIKACI ´ OK ´ TEZISEKHEZ KAPCSOLOD
nication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), paper OW3C.6, 2012. 20 ´ [C4] Benjamin J. Puttnam, Aron Szabo, D´aniel Mazroa, Satoshi Shinada and Naoya Wada, “Signal-signal crosstalk measurements in a PPLN-PPLN PSA with narrow channel spacing,” 17th Opto-Electronics and Communications Conference (OECC), pp. 67–68, 2012. 17, 20
26
Tov´ abbi publik´ aci´ ok Foly´ oirat cikkek ´ [J5] Aron Szabo and Zolt´ an V´ arallyay, “Numerical Study on the Saturable Absorber Parameter Selection in an Erbium Fiber Ring Oscillator,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 24, pp. 122–124, 2012. ´ Szab´ [J6] Z. V´ arallyay, K. Saitoh, A. o and R. Szip˝ocs, “Photonic bandgap fibers with resonant structures for tailoring the dispersion,” Optics Express, vol. 17, pp. 11869-11883, 2009. ´ [J7] Aron Szabo and Szil´ ard Zsigmond, “Determining the Optimal Signal Power Based on Physical Effects in CWDM Optical Networks,” Infocommunictaions Journal [Invited], vol. 63, pp. 55–59, 2010. ´ [J8] Aron Szabo, Szil´ ard Zsigmond and Tibor Cinkler, “Optimal Signal Power in CWDM Optical Networks Considering Physical Effects,” The Mediterranean Journal of Electronics and Communications [Invited], vol. 6, pp. 65–71, 2010. ´ [J9] Andr´e Albuquerque, Benjamin J. Puttnam, Miguel Drummond, Aron Szab´ o, D´aniel Mazroa, Satoshi Shinada, Naoya Wada and Rogerio N. Nogueira, “Phase-sensitive amplification in a single bi-directional PPLN waveguide,” Optics Express, vol. 21, pp. 22063–22069, 2013.
Konferenciacikkek ´ Szab´ [C5] Z. V´ arallyay, K. Saitoh, A. o, K. Kakihara, M. Koshiba and R. Szip˝ocs, ”Reversed Dispersion Slope Photonic Bandgap Fibers and Femtosecond Pulse Propagation,” OFC/NFOEC, paper JThA4, 2009. ´ Szab´ [C6] A. o, Sz. Zsigmond, T. Cinkler, “Impact of physical effects onto the optimal signal power in CWDM optical networks,” 6th International Symposium on Communication Systems, Networks and Digital Signal Processing (CSNDSP), pp. 428–432, 2008 [C7] Andr´e Albuquerque, Miguel Drummond, Rogerio N. Nogueira, Benjamin J. Puttnam, ´ Satoshi Shinada, Naoya Wada, Aron Szab´ o and D´aniel Mazroa, “Investigation of black-
27
´ ´ OK ´ TOVABBI PUBLIKACI
box phase regeneration using single bi-directional PPLN waveguide,” OFC/NFOEC, paper OW4C.2, 2013. ´ Szab´ [C8] A.A.C. Albuquerque, B.J. Puttnam, M.V. Drummond, A. o, D. Mazroa, S. Shinada, R.N. Nogueira, N. Wada, “Investigation of phase-sensitive amplification in a dual pump bi-directional PPLN-based PSA,” OptoElectronics and Communications Conference held jointly with 2013 International Conference on Photonics in Switching (OECC/PS), 2013. ´ Szab´ [C9] D. Mazroa, B.J. Puttnam, A. o, S. Shinada, N. Wada, “PPLN-based all-optical QPSK regenerator,” 15th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 2013. ´ Szab´ [C10] D. Mazroa, A. o, T. Cinkler, B.J. Puttnam, S. Shinada, N. Wada, “Modelling alloptical phase-sensitive BPSK and QPSK regenerators,” IEEE International Conference on Communications (ICC), pp. 3981–3985, 2013.
28
Hivatkoz´ asok [1] D. Cotter, R. J. Manning, K. J. Blow, A. D. Ellis, A. E. Kelly, D. Nesset, I. D. Phillips, A. J. Poustie, and D. C. Rogers. Nonlinear Optics for High-Speed Digital Information Processing. Science, 286(5444):1523–1528, 1999. 1 [2] R. Y. Chiao, E. Garmire, and C. H. Townes. Self-Trapping of Optical Beams. Physical Review Letters, 13:479–482, Oct 1964. 1 [3] Peter D. Dragic. Suppression of first order stimulated Raman scattering in erbium-doped fiber laser based {LIDAR} transmitters through induced bending loss. Optics Communications, 250(4–6):403 – 410, 2005. 1 [4] J. Kim, P. Dupriez, C. Codemard, J. Nilsson, and J. K. Sahu. Suppression of stimulated Raman scattering in a high power Yb-doped fiber amplifier using a W-type core with fundamental mode cut-off. Opt. Express, 14(12):5103–5113, Jun 2006. [5] Lei Zhang, Shuzhen Cui, Jinmeng Hu, Jianhua Wang, Chi Liu, Jun Zhou, and Yan Feng. Stimulated-Brillouin-Scattering suppression in high power single frequency fiber amplifiers. In CLEO: 2013, page CF1E.7. Optical Society of America, 2013. [6] P. Whalen, J. V. Moloney, and M. Kolesik. Self-focusing collapse distance in ultrashort pulses and measurement of nonlinear index. Opt. Lett., 36(13):2542–2544, Jul 2011. 1 [7] D. J. H. C. Maas, A. R. Bellancourt, M. Hoffmann, B. Rudin, Y. Barbarin, M. Golling, ¨ dmeyer, and U. Keller. Growth parameter optimizationfor fast quantum dot SESAMs. T. Su Opt. Express, 16(23):18646–18656, Nov 2008. 1 ¨ nter Steinmeyer, Jong Hyuk Yim, Won Bae Cho, Soonil Lee, [8] Andreas Schmidt, Simon Rivier, Gu ´ , Francesc D´ıaz, Valentin Fabian Rotermund, Maria C. Pujol, Xavier Mateos, Magdalena Aguilo Petrov, and Uwe Griebner. Passive mode locking of Yb:KLuW using a single-walled carbon nanotube saturable absorber. Opt. Lett., 33(7):729–731, Apr 2008. [9] Guichuan Xing, Hongchen Guo, Xinhai Zhang, Tze Chien Sum, and Cheng Hon Alfred Huan. The Physics of ultrafast saturable absorption in graphene. Opt. Express, 18(5):4564–4573, Mar 2010. [10] Jin-Long Xu, Xian-Lei Li, Yong-Zhong Wu, Xiao-Peng Hao, Jing-Liang He, and Ke-Jian Yang. Graphene saturable absorber mirror for ultra-fast-pulse solid-state laser. Opt. Lett., 36(10):1948–1950, May 2011. 1 [11] V. Pruneri, R. Koch, P. G. Kazansky, W. A. Clarkson, P. St. J. Russell, and D. C. Hanna. 49 mW of cw blue light generated by first-order quasi-phasematched frequency doubling of a diode-pumped 946-nm Nd:YAG laser. Opt. Lett., 20(23):2375–2377, Dec 1995. 1 [12] Q. H. Xue, Q. Zheng, Y. K. Bu, F. Q. Jia, and L. S. Qian. High-power efficient diode-pumped Nd:YVO4/LiB3O5457 nm blue laser with 4.6 W of output power. Opt. Lett., 31(8):1070–1072, Apr 2006. 1
29
´ HIVATKOZASOK
¨ m, Martin Sjo ¨ din, Peter A. [13] Radan Slav´ık, Francesca Parmigiani, Joseph Kakande, Carl Lundstro ¨ ner-Nielsen, Andrekson, Ruwan Weerasuriya, Stylianos Sygletos, Andrew D. Ellis, Lars Gru Dan Jakobsen, Søren Herstrøm, Richard Phelan, James O’Gorman, Adonis Bogris, Dimitris Syvridis, Sonali Dasgupta, Periklis Petropoulos, and David J. Richardson. All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications systems. Nature Photonics, 4(10):690–695, Sep 2010. 1, 2, 16 [14] D. J. Richardson, J. Nilsson, and W. A. Clarkson. High power fiber lasers: current status and future perspectives [Invited]. Journal of Optical Society of America B, 27(11):B63–B92, Nov 2010. 2 [15] G. Mourou, B. Brocklesby, T Tajima, and J. Limpert. The future is fibre accelerators. Nature Photonics, 7:258–261, 2013. 2 [16] C. Xu and F. W. Wise. Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy. Nature Photonics, 2013. 2 [17] Stephen Norman, Mikhail Zervas, Andrew Appleyard, Paul Skull, Duncan Walker, Paul Turner, and Ian Crowe. Power scaling of high-power fiber lasers for micromachining and materials processing applications, 2006. 2 ¨ nnermann. High-power fibre lasers. Nature Photonics, 2013. [18] C. Jauregui, J. Limpert, and A. Tu [19] J. Drechsel, U. Loeschner, S. Schwind, L. Hartwig, J. Schille, H. Exner, P. Huebner, and A. Eysert. Highspeed laser welding of steel using a high-power single-mode continuous-wave fiber laser, 2013. [20] Stuart D. Jackson. High-power fiber lasers for the shortwave infrared, 2010. 2 [21] E. Stiles. New developments in IPG fiber laser technology. In Proceedings of the 5th International Workshop on Fiber Lasers, 2009. 2 [22] M. L. Osowski, W. Hu, R. M. Lammert, S. W. Oh, P. T. Rudy, T. Stakelon, and J. E. Ungar. Advances in high-brightness semiconductor lasers, 2008. 2 [23] E. Snitzer, H. Po, F. Hakimi, R. Tumminelli, and B.C. McCollum. DOUBLE CLAD, OFFSET CORE Nd FIBER LASER. In Optical Fiber Sensors, page PD5. Optical Society of America, 1988. 2 [24] Johan Nilsson. Recent Progress and Limiting Factors in High Power Fiber Laser Technology. In Conference on Lasers and Electro-Optics 2010, page CTuC1. Optical Society of America, 2010. 2 ¨ m, P. A. Andrekson, C. J. McKinstrie, M. Karlsson, D. J. Blessing, E. Tip[25] Z. Tong, C. Lundstro ¨ ner-Nielsen. Towards ultrasensitive optical suwannakul, B. J. Puttnam, H. Toda, and L. Gru links enabled by low-noise phase-sensitive amplifiers. Nature Photonics, 5(7):430–436, Jun 2011. 2, 17 [26] Jing Xu, Xinliang Zhang, Yin Zhang, Jianji Dong, Deming Liu, and Dexiu Huang. Reconfigurable All-Optical Logic Gates for Multi-Input Differential Phase-Shift Keying Signals: Design and Experiments. Journal of Lightwave Technology, 27(23):5268 –5275, dec.1, 2009. 2 [27] A Gravitational wave observatory operating beyond the quantum shot-noise limit: Squeezed light in application. Nature Phys., 7:962–965, 2011. 2 ´ niel Mazroa, Satoshi Shinada, and Naoya Wada. Phase-squeezing prop[28] Benjamin J. Puttnam, Da erties of non-degenerate PSAs using PPLN waveguides. Opt. Express, 19(26):B131–B139, Dec 2011. 2, 17
30
´ HIVATKOZASOK
[29] Takeshi Umeki, Osamu Tadanaga, Atsushi Takada, and Masaki Asobe. Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides. Opt. Express, 19(7):6326–6332, Mar 2011. 2 ¨ rn, P. St. J. Russell, J. A. Levenson, and P. Vidakovic. Noiseless [30] D. J. Lovering, J. Webjo optical amplification in quasi-phase-matched bulk lithium niobate. Opt. Lett., 21(18):1439–1441, Sep 1996. [31] Kwang Jo Lee, Francesca Parmigiani, Sheng Liu, Joseph Kakande, Periklis Petropoulos, Katia Gallo, and David Richardson. Phase sensitive amplification based on quadratic cascading in a periodically poled lithium niobate waveguide. Opt. Express, 17(22):20393–20400, Oct 2009. 6, 17 [32] B.J. Puttnam, D. Mazroa, S. Shinada, and N. Wada. Large Phase Sensitive Gain in Periodically Poled Lithium-Niobate With High Pump Power. Photonics Technology Letters, IEEE, 23(7):426– 428, Apr 2011. [33] Masaki Asobe, Takeshi Umeki, and Osamu Tadanaga. Phase sensitive amplification with noise figure below the 3 dB quantum limit using CW pumped PPLN waveguide. Opt. Express, 20(12):13164–13172, Jun 2012. 2 [34] R.-D. Li, P. Kumar, and W.L. Kath. Dispersion compensation with phase-sensitive optical amplifiers. Journal of Lightwave Technology, 12(3):541–549, 1994. 2 [35] G. Agrawal. Nonlinear Fiber Optics. Optics and Photonics. Elsevier Science, 2012. 5, 6, 18 [36] C.R. Giles and E. Desurvire. Modeling erbium-doped fiber amplifiers. Journal of Lightwave Technology, 9(2):271–283, Feb. 5 [37] C. Barnard, P. Myslinski, J. Chrostowski, and M. Kavehrad. Analytical model for rare-earthdoped fiber amplifiers and lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics, 30(8):1817–1830, Aug 1994. 5 [38] Melvin Lax. Classical Noise. V. Noise in Self-Sustained Oscillators. Physical Review, 160:290–307, Aug 1967. 6 [39] A. Mussot, E. Lantz, H. Maillotte, T. Sylvestre, C. Finot, and S. Pitois. Spectral broadening of a partially coherent CW laser beam in single-mode optical fibers. Opt. Express, 12(13):2838– 2843, Jun 2004. [40] Michael H. Frosz. Validation of input-noise model for simulations of supercontinuum generation and rogue waves. Opt. Express, 18(14):14778–14787, Jul 2010. 6, 8 [41] R. Paschotta, J. Nilsson, A.C. Tropper, and D.C. Hanna. Ytterbium-doped fiber amplifiers. IEEE Journal of Quantum Electronics, 33(7):1049–1056, 1997. 11 [42] J.R. Marciante and G.P. Agrawal. Controlling filamentation in broad-area semiconductor lasers and amplifiers. Applied Physics Letters, 69(5):593–595, 1996. 11 [43] J. Yamawaku, H. Takara, Takuya Ohara, Atsushi Takada, T. Morioka, O. Tadanaga, H. Miyazawa, and Masaki Asobe. Low-Crosstalk 103 Channel × 10 Gb/s (1.03 Tb/s) Wavelength Conversion With a Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Waveguide. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 12(4):521–528, 2006. 17 ¨ m, Magnus Karlsson, and Peter A. Andrekson. Noise [44] Zhi Tong, C. J. McKinstrie, Carl Lundstro performance of optical fiber transmission links that use non-degenerate cascaded phasesensitive amplifiers. Opt. Express, 18(15):15426–15439, Jul 2010. 18
31
