Оглавление
- 1 Солитон (оптика)
- 1.1 Определение солитонов
- 1.2 Пространственные солитоны
- 1.3 Временные солитоны
- 1.4 Принцип пространственных солитонов
- 1.5 Доказательство существования солитонов
- 1.6 Параметры и решения
- 1.7 Генерация солитонов
- 1.8 История исследований
- 1.9 Пространственные солитоны
- 1.10 Временные солитоны
- 1.11 Доказательство существования временных солитонов
- 1.12 Устойчивость солитонов
- 1.13 Создание оптических солитонов
- 1.14 Влияние потерь электроэнергии
- 1.15 Генерация солитонного импульса
- 1.16 Темные солитоны
- 1.17 Полный текст статьи:
- 2 Солитон (оптика)
Солитон (оптика)
-
Определение солитонов
- Солитоны — это оптические поля, которые не изменяются при распространении из-за баланса между нелинейными и дисперсионными эффектами.
- Существуют пространственные и временные солитоны.
-
Пространственные солитоны
- Пространственные солитоны создаются нелинейным эффектом, который уравновешивает дисперсию.
- Электромагнитное поле изменяет показатель преломления среды, создавая структуру, подобную волокну с градуированным показателем преломления.
- Если поле является режимом распространения созданной им направляющей, оно остается ограниченным и распространяется без изменения формы.
-
Временные солитоны
- Временные солитоны создаются импульсами, которые не изменяют своей формы из-за нелинейных эффектов.
- Эти солитоны были открыты первыми и часто называются просто “солитонами”.
-
Принцип пространственных солитонов
- Эффект Керра вводит самофазовую модуляцию, изменяющую показатель преломления в зависимости от интенсивности излучения.
- Если интенсивность имеет форму, подобную показанной на рисунке, поле демонстрирует эффект самофокусировки.
- Поле создает волокнистую направляющую структуру, которая может быть использована для направления других волн на разных частотах.
-
Доказательство существования солитонов
- Электрическое поле распространяется в среде с оптическим эффектом Керра.
- Показатель преломления зависит от интенсивности.
- Уравнение Гельмгольца решается с учетом нелинейных эффектов.
-
Параметры и решения
- Определяются параметры ξ, X0, Ld, Lnℓ, N2.
- Уравнение становится нелинейным уравнением Шредингера.
- Для N=1 решение простое, для N=2 и выше решения сложные, но периодические.
-
Генерация солитонов
- Для генерации солитонов необходима высокая интенсивность.
- Лазерные импульсы могут подаваться в оптические волокна для достижения нелинейных эффектов.
-
История исследований
- Первый эксперимент с пространственными оптическими солитонами проведен в 1974 году.
- Исследования продолжались в различных средах, включая фоторефрактивные кристаллы, стекло, полупроводники и полимеры.
-
Пространственные солитоны
- Пространственные солитоны возникают в однородных средах, периодических системах и волноводах.
- В нематических жидких кристаллах они называются нематиконами.
- В лазерах солитоны возникают из-за синхронизации поперечных мод.
-
Временные солитоны
- Временные солитоны устраняют проблему дисперсии групповой скорости в оптических волокнах.
- В 1973 году Акира Хасегава и Фред Тапперт предположили существование временных солитонов.
- В 1987 году П. Эмплит и его команда провели первое экспериментальное наблюдение.
- В 1991 году Bell Labs передала солитоны на расстояние более 14 000 км.
- В 2020 году компания Optics Communications сообщила о передаче данных со скоростью 90 Тбит/с.
-
Доказательство существования временных солитонов
- Электрическое поле распространяется в среде с оптическим эффектом Керра.
- Поле выражается через огибающую и форму в плоскости xy.
- Фазовая постоянная может быть представлена рядом Тейлора.
- Уравнение становится идентичным уравнению для пространственных солитонов.
-
Устойчивость солитонов
- Условие N = 1 определяет амплитуду электрического поля.
- Условие N = 1 также может быть выражено через освещенность или мощность.
-
Создание оптических солитонов
- Для создания солитонов необходимо создать поле определенной формы и мощности.
- Мономерные солитоны устойчивы и корректируются при небольших ошибках.
- Пространственные солитоны (2 + 1) D нестабильны и требуют насыщающих нелинейных сред.
-
Влияние потерь электроэнергии
- Потери энергии приводят к экспоненциальному росту ширины импульса.
- Для создания стабильных солитонов необходимо учитывать потери и использовать оптические усилители.
-
Генерация солитонного импульса
- Эксперименты показали, что нелинейный эффект Керра может генерировать солитонные импульсы в оптических волокнах.
- Пиковый солитонный импульс имеет период 1-3 пс и укладывается в оптическую полосу пропускания.
-
Темные солитоны
- Темные солитоны могут быть получены при определенных условиях среды.
- Темные солитоны сложнее в обращении, но более стабильны и устойчивы к потерям.