Prezentacja programu PowerPoint

1
Politechnika SzczeciNska
Instytut Fizyki Dr Grzegorz Leniec
Solitony optyczne i ich zastosowanie w
telekomunikacji
2
Zjawiska towarzyszace rozchodzeniu sie swiatla
w nieliniowych mediach

• Tlumiennosc
• Nieliniowosc
• Dyspersja

3

• Powody tlumiennosci SiO2
• Fluktuacje gestosci materialu (rozpraszanie
  Rayleigha)
• Silna absorpcja w podczerwieni i nadfiolecie (pc
  czestotliwosc rezonansowa atomów krzemu i tlenu
  9µm nf fotony wybijaja elektrony do pasma
  przewodnictwa 0,2µm)
• Zanieczyszczenia jonami OH- (druga harmoniczna
  drgan tego jonu odpowiada dlugosci 1,38µm)

0,85 µm 1,31µm 1,55µm
4
Zjawisko nieliniowosci

• Szklo kwarcowe wykazuje slaba nieliniowosc
  optyczna. Wspólczynnik zalamania zalezy od
  natezenia swiatla (wprost proporcjonalnie).
• Zjawisko to powoduje, ze w miejscu duzego
  natezenia impulsu wspólczynnik zalamania wzrasta,
  zatem predkosc fali maleje, a czestotliwosc
  impulsu ulega zróznicowaniu przednia czesc
  impulsu doznaje zmniejszenia czestotliwosci, a
  tylna zwiekszenia czestotliwosci.

5
Zjawisko dyspersji

• Rozrózniamy dwa rodzaje dyspersji
• normalna fale o wiekszej czestotliwosci
  poruszaja sie wolniej niz fale o czestotliwosci
  mniejszej,
• anomalna fale o wiekszej czestotliwosci
  poruszaja sie szybciej niz fale o czestotliwosci
  mniejszej.
• Zero dyspersji wystepuje dla dlugosci fali
  1,31µm.
• Krótkie impulsy maja szerokie widmo. Zero
  dyspersji wystepuje tylko dla czestotliwosci
  nosnej.

6
Solitony

• W pewnych warunkach zjawiska nieliniowosci i
  dyspersji moga sie wzajemnie kompensowac.
• nieliniowosc odpowiednia moc impulsu,
• dyspersja musi zwalniac czolo impulsu o
  zmniejszonej czestotliwosci, czyli dyspersja
  anomalna powyzej dlugosci fali 1,31µm.

7
John Scott RussellPonad 158 lat temu, kiedy
prowadzil eksperymenty majace okreslic
najbardziej skuteczne projektowanie kanalu dla
lodzi. Mlody szkocki inzynier John Scott Russell
(1808-1882) dokonal nadzwyczajnego naukowego
odkrycia. Opisal to "Sprawozdaniu on the wave"
(Sprawozdanie czternastego spotkania brytyjskiego
Stowarzyszenia Rozwoju Nauki, Jork, wrzesien 1844
(Londyn 1845), pp 311-390, Plates XLVII-LVII).
8

• Obserwowalem ruch lodzi, która ciagnely
  szybko w wysokim kanale konie, gdy nagle sie
  zatrzymaly wprowadzona w ruch masa wody
  zgromadzila sie wokól dzioba lodzi w stanie
  zburzonym, wtedy niespodziewanie potoczyla sie z
  duza predkoscia w postaci duzego pojedynczego
  wzniesienia okragly, gladki, wyrazny garb wodny
  poruszal sie w kanale, bez widocznej zmiany
  ksztaltu i zmniejszenia predkosci. Pojechalem za
  nim i dogonilem, gdy jeszcze sie poruszal z
  predkoscia okolo 8 lub 9 mil na godzine,
  zachowujac poczatkowy ksztalt jakies 30 stóp
  dlugosci i okolo póltorej stopy wysokosci. Jego
  wysokosc stopniowo sie zmniejszala i po
  przejechaniu za nim jednej lub dwóch mili
  zgubilem go przy ujsciu kanalu.
• Tak w sierpniu 1834r. nastapilo moje pierwsze
  przypadkowe spotkanie z tym niezwyklym,
  przepieknym zjawiskiem ...

9
(No Transcript)
10
Rok Naukowcy Odkrycie
1834 John Scott Russell Fala nawodna w kanale w ksztalcie solitonu
1910 Hondros i Debye Teoria swiatlowodu kolowego
1950 Van Heel zastosowanie plaszcza do rdzenia swiatlowodu
1960 Transmisje swiatlowodowe (1kdb/km)
1970 Kao i Hockama Swiatlowód o tlumiennosci 20db/km
1973 Hasegawa i Tappert Wykazali ze swiatlowód moze prowadzic impulsy solitonowe
1980 Mollenauer, Stolen i Gordon Próbne transmisje solitonowe
11
Do opisu fal swietlnych uzywa sie Nieliniowego
Równania Schrödingera (NLS) wyprowadzonego z
fenomenologicznych równan Maxwella.
Równania Maxwella
Nieliniowe równanie Schrödingera
gdzie ?- tlumiennosc, ß2 dyspersja, ?-
nieliniowosc.
12
Rozwiazanie nieliniowego równania Schrödingera
Po dokonaniu normalizacji
?

gdzie N jest rzedem solitonu definiowanym
?
13
Rezultaty eksperymentów w swiatlowodzie. (a)
Ksztaltu impulsu z lasera solitonowego przy
wprowadzeniu do swiatlowodu. (b)-(e) Ksztalty
impulsów dla róznych wartosci mocy wejsciowych
(b) P0,3W przy niskim poziomie mocy mozna
zauwazyc brak efektu nieliniowosci, jedynie wplyw
efektu dyspersji, (c) P1,2W podstawowy impuls
solitonowy, (d) P5,0W impuls osiaga minimum
swojej szerokosci czyli zachowanie odpowiadajace
solitonom N3 dla 0,5 okresu solitonowego, (e)
P11,4W.
14
Schemat lasera solitonowego wraz z petla
stabilizacji. Strumien dzieli sie na
pólzwierciadle S o wspólczynniku odbicia 30-50 ,
laczy rezonator kontrolny z rezonatorem glównym.
.
15
Okresowosc solitonów
16

Oddzialywanie miedzy solitonami
Kolizje solitonów
Na rysunku przestawione zostalo przyciaganie
solitonów. Odleglosc miedzy solitonami zmienia
sie okresowo. Solitony zlewaja sie na przemian i
orbituja wokól wspólnego srodka. Na rysunku
przedstawione zostalo odpychanie impulsów
solitonowych. Impulsy oddalaja sie do momentu
braku oddzialywania sil. Eksperymentalnie
potwierdzona odleglosc miedzy nie oddzialujacymi
impulsami 5-krotna szerokosc impulsu.
17
(a) Propagacja impulsów w swiatlowodzie z
zachowaniem separacji impulsów. (b) Okno detekcji
i odpowiadajace prawdopodobienstwo gestosci
impulsów dla bledów rzedu .
18
(No Transcript)
19

Soliton based Optical Communication are at
development stage. More then 1 Tb/s
(1012bit/s) transmission has been achieved over
several thousand km of distance. There are
several start up companies who are developing
soliton transmission systems i.e., Algety,
Solistis and PhotonEx. Soliton can upgrade old
single mode fiber systems from 2.5 Gb/s to 1
Tb/s. Some Recent Achievements In Time Divsion
Multiplexing (TDM)40Gbit/s transmission over
10,000km in dispersion managed system (by KDD in
1998) 100Gbit/s transmission over 1,000km in
densely dispersion managed system (by Nortel in
1999) In Wavelength Division Multipleing
(WDM)1Tbit/s (20Gbit/s x 50Channels)
transmission over 1,000km in dispersion managed
standard fibers (by Algety in 1998) 1.1 Tbit/s
(20Gbit/s x 55Channels) transmission over 3,000km
in dispersion managed system (by Japanese STAR
Consortium in 1999) 270Gbit/s (10Gbit/s x
27Channels) transmission over 9,000km in
dispersion managed system (by Bell Laboratories
in 2000)
20
(No Transcript)