Osoba odpowiedzialna za przedmiot: dr hab. inż. Ryszard Piramidowicz

 

Streszczenie

W ciągu ostatnich kilku lat nastąpił gwałtowny rozwój zainteresowania aktywnymi elementami światłowodowymi (zarówno o geometrii włóknowej jak i planarnej), znajdujący odzwierciedlenie w pracach badawczych coraz większej ilości laboratoriów naukowych na świecie. Zalety takich urządzeń, do których można zaliczyć przede wszystkim wysoką sprawność, zwartą konstrukcję, stabilność i łatwość integracji z torami komunikacji światłowodowej, predestynują je do zastosowań w układach telekomunikacji optycznej, optoelektroniki zintegrowanej oraz optycznego przetwarzania informacji. Znakomitym przykładem są tu układy wzmacniaczy światłowodowych, które w ciągu zaledwie kilku lat przeszły z fazy urządzeń laboratoryjnych do komercyjnie stosowanych w telekomunikacji dalekiego zasięgu. Specyficzna geometria ośrodka aktywnego, w połączeniu z wysokim wzmocnieniem na jednostkę długości pozwalają na konstruowanie nowej generacji wąskopasmowych, jednomodowych źródeł promieniowania laserowego na zakres widzialny i bliskiej podczerwieni. Aktywne struktury światłowodowe charakteryzują się ponadto niezwykłą łatwością uzyskiwania efektów nieliniowych, co umożliwia ich stosowanie w układach modulatorów czy przełączników optycznych.

Głównym celem przedmiotu jest zaznajomienie studentów z aktualnym stanem wiedzy na temat aktywnych układów światłowodowych, zarówno od strony teoretycznej, jak i z punktu widzenia zastosowań w układach telekomunikacji i optoelektroniki zintegrowanej. Wykład zaznajamia studentów z nowoczesnym formalizmem opisu zjawisk oddziaływania fal elektromagnetycznych z ośrodkami liniowymi, nieliniowymi i wzmacniającymi, opartym na półklasycznej teorii promieniowania, rachunku operatorowym oraz metodami rozwiązywania nieliniowych równań Schrodingera. Omawiane zagadnienia stanowią rozszerzenie wiadomości z wybranych działów fizyki, szczególnie teorii pola elektromagnetycznego i optyki kwantowej. Materiał wykładu obejmuje analizę parametrów spektroskopowych ośrodków aktywnych, teorię propagacji promieniowania w światłowodowych strukturach aktywnych oraz zaawansowany teoretyczny opis parametrów wzmocnienia i generacji dla pracy impulsowej i CW, z odniesieniami do konkretnych zastosowań. Wykład bazuje na najnowszych doniesieniach z literatury światowej, jak również na wynikach prac własnych autorów.


Treść wykładu

  1. Wstęp. Zastosowanie światłowodów do transmisji sygnałów optycznych, uwarunkowania technologiczne i konstrukcyjne. Zastosowania aktywnych struktur światłowodowych - wzmacniacze i lasery. Przypomnienie zjawisk prowadzących do generacji promieniowania w strukturach aktywnych. Równania Maxwella. Przejście do równania falowego.
  2. Opis propagacji światła w światłowodach włóknowych i planarnych o różnych profilach współczynnika załamania. Mody prowadzone, mody wypromieniowania, mody upływowe. Równanie dyspersyjne i metody jego rozwiązywania.
  3. Dielektryczne ośrodki czynne domieszkowane jonami ziem rzadkich. Przejścia optyczne w jonach aktywatora w matrycy dielektrycznej. Podstawy spektroskopii optycznej lantanowców w szkłach i kryształach. Zjawiska związane z oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z jonami aktywnymi - procesy absorpcji, emisji spontanicznej i wymuszonej, bezpromienistego wygaszania fluorescencji, konwersji wzbudzenia.
  4. Zagadnienie pobudzania optycznego wzmacniaczy i laserów światłowodowych. Teoria sprzęgania układów włóknowych i planarnych ze źródłami pompującymi. Światłowody wielopłaszczowe, pompowanie płaszczowe. Realizacje źródeł pompujących.
  5. Teoria pracy wzmacniaczy włóknowych i planarnych. Określenie wzmocnienia małosygnałowego w układach trzy- i cztero-poziomowych na podstawie równań bilansu. Zależność wzmocnienia od mocy pompującej oraz geometrii pompowania. Uwzględnienie efektu nasycenia wzmocnienia. Tłumienność oraz starty związane z procesami wielojonowymi i wielofotonowymi.

  6. Światłowodowe wzmacniacze telekomunikacyjne na pasmo 1.3 i 1.55 mm (pasma S, C, L). Materiały, technologia i właściwości optyczne. Pompy optyczne do wzmacniaczy telekomunikacyjnych. Charakterystyki wzmocnienia. Zagadnienie wzmocnionej emisji spontanicznej (ASE). Metody pomiarowe parametrów wzmacniaczy optycznych.

  7. Teoria generacji we włóknach optycznych i strukturach planarnych. Trzy- i cztero-poziomowe układy pracy, warunki progowe i ponad progowe generacji, oddziaływanie modu pompującego i laserowego. Wpływ rezonatora na parametry generowanego promieniowania. Analiza mocy wyjściowej przy pomocy całki mocy.

  8. Lasery włóknowe wielkiej mocy - generacja promieniowania w laserze Yb3+. Lasery włóknowe na zakres widzialny, w tym lasery z konwersją wzbudzenia. Lasery włóknowe na zakres UV. Zastosowania.

  9. Podstawy teorii rezonatorów siatkowych. Dielektryczne lasery planarne oraz włóknowe z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym (DFB) i z rozłożonym zwierciadłem braggowskim (DBR). Kształtowanie charakterystyk wzmacniacza przy pomocy struktur siatkowych. Siatki braggowskie jako filtry częstotliwościowe.
  10. Generacja krótkich impulsów optycznych w laserach światłowodowych. Przełączanie dobroci rezonatora i synchronizacja modów. Kompresja impulsów.
  11. Indukowany termicznie efekt światłowodowy w ośrodkach dielektrycznych. Mikrolasery. Zasada działania, materiały i konstrukcje. Praca jednomodowa i sposoby modulacji promieniowania mikrolaserów.