Nemlineáris optikai hatások nagy

Átírás

1 Nemlineáris optikai hatások nagy teljesítményű szállézerekben és fázisérzékeny erősítőkben - újszerű modellezési eszközök, kísérletek Szabó Áron Dénes okl. mérnök-fizikus Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem A PhD tézisek összefoglalása Villamosmérnöki Tudományok Doktori Iskola Konzulens: Dr. Cinkler Tibor, DSc Társ-konzulens: Dr. Várallyay Zoltán, PhD Budapest, Magyarország 2014.

2 ii

3 1 Bevezető 1.1 Előszó A nemlineáris optikai eszközök elterjedése a korai 90-es években kezdődött, amikor az optikai összeköttetéseket robbanásszerűen kezdték használni világszerte [1]. Ezen eszközök legfontosabb tulajdonsága amelyet a definíciójuknak tekinthetünk, hogy egyes optikai jellemzőik nem csupán a bennük terjedő fény hullámhosszától függnek, hanem az intenzitásától is. Ez gyakran parazita effektus optikai szálakban és szállézerekben, amely rontja a jel és a nyaláb minőségét [2],[3]-[6] valamint csökkenti az optikai jelátviteli kapcsolattal áthidalható távolságot. Ennek ellenére a nemlinearitások kiaknázása lehetővé teszi stabil, ultrarövid impulzusú szállézerek [7]-[10] valamint nagysebességű optikai jelfeldolgozó eszközök készítését, úgymint hullámhossz konverterek [11]-[12] és jelregenerátorok [13, J3]. Összegezve, a nemlineáris optikai hatásokat határozottan figyelembe kell venni a napjaink fotonikai eszközeivel kapcsolatos elméleti és kísérleti munkákban, kellően nagy teljesítményű működés esetén. A disszertációm három különálló téziscsoportból épül fel. Az első csoportot a nagyteljesítményű, folytonos üzemű szállézerek és szálerősítők matematikai és számítógépes modellezésének szentelem, egybekötve a kölcsönható lineáris és nemlineáris optikai hatások vizsgálatával, melyek a működést befolyásolják. A második csoportban bemutatom a periodikusan polarizált lítium-niobát (PPLN) hullámvezetőkön alapuló fázisregenerátorok kísérleti megvalósítását, míg a harmadik csoportban a PPLNek, mint többcsatornás rendszerekben lehetséges fázisérzékeny erősítők (phase-sensitive amplifier, PSA) vizsgálatára fókuszálok. 1

4 1. BEVEZETŐ 1.2 Nagyteljesítményű szállézerek és szálerősítők Az optikai ritkaföldfém adalékolású szállézerek és szálerősítők ígéretesek a jövő nagyteljesítményű lézerrendszereiben, és széles területen alkalmazták már sikerrel őket [14],[15]- [16]. A szállézerek egy alapvető jellemzője, hogy olyan hullámhosszakon teszik lehetővé jó minőségű nyalábok előállítását, amelyeken a tömb lézerek kevésbé, pl. erbium, ytterbium (Yb), thulium, neodymium szállézerek. A folytonos üzemű (continuous-wave, CW) szállézerek elsődleges alkalmazási területei a mikromechanikai megmunkálás, ipari vágás és hegesztés valamint katonai védelmi célok [17]-[20]. Az Yb-adalékolású szállézerekről bebizonyosodott, hogy alkalmasak rekord kimeneti teljesítmény akár 10 kw [21] előállítására CW üzemben, miközben jó minőségű nyalábot képsesek szolgáltatni. A nagy fényerejű, multimódusú lézerdiódák kombinált alkalmazása [22] dupla köpenyű szálakkal [23]-[24] teszi lehetővé ezen köpenybe pumpált szállézerek valamint szálerősítők fejlesztését, a magba pumpáláshoz képest a pumpálási szög és keresztmetszet nagyobb toleranciájával, és a pumpáló lézerénél közel 5 nagyságrenddel nagyobb fényerővel. 1.3 Fázisérzékeny erősítők A PSA-k célja a jelek erősítése vagy csillapítása a fázisuktól függően, amely számos hasznos alkalmazást tesz lehetővé, úgymint zajmentes erősítés [25], fázismodulált jelek regenerálása [13, J3], tisztán optikai logikai műveletek fázisba kódolt jeleken [26] vagy ultranagy precízitású optikai méréstechnika [27]. A jelen vizsgálat ezek közül az optikai távközlési rendszerekben hasznos első és második alkalmazásra koncentrál. A fázisérzéketlen erősítőkkel (phase-insensitive amplifier, PIA) ellentétben a PSA-k erősítési válasza a fázisra érzékeny: a valós kvadratúra komponensen nagy erősítés, míg a képzetes kvadratúra komponensen kis erősítés vagy csillapítás mutatkozik, amely alkalmassá teszi őket a bejövő jelen lévő parazita nemlineáris fáziszaj csökkentésére. A PSA-kat rendszerint száloptikai parametrikus erősítőkkel implementálják, kihasználva a négyhullám keverés nemlineáris hatását. Azonban jelenleg nagy érdeklődés övezi a PPLN hullámvezetőkben fellépő, kaszkádosított másodharmonikus és különbségfrekvencia keltést, alacsony zajú PSA alkalmazásokra. Nagy nemlineáris együtthatók érhetők el mindössze néhány centiméternyi kristályban, kis spontán emisszió mellett és belső frekvencia csörp nélkül, ami lehetőséget nyújt kompakt, kis késleltetésű, szélessávú eszközök készítésére [28],[29]-[33] és más optikai elemekkel történő integrálásra [34]. 2

5 2 Kutatási célkitűzések 2.1 Nagyteljesítményű, folytonos üzemű Yb-adalékolt szállézerek és erősítők matematikai modellezése A nemlineáris spektrális kiszélesedés megértése és előrejelzése nagyteljesítményű CW szállézerekben fontos probléma mind alapkutatási, mind alkalmazási szempontból. A gyakorlatban a lézer hatásfokának csökkenését eredményezheti azáltal, hogy a spektrum kiszélesedése meghaladja a Bragg rácsok reflexiós spektrumának szélességét. Az Ybadalékolt CW szállézerek elméleti vizsgálatában közelítő analitikus megoldások léteznek néhány watt kimeneti teljesítmény esetére, néhányszor tíz méteres rezonátorra. Az idáig publikált numerikus módszerek képesek ilyen paraméterekkel rendelkező oszcillátorok pontos leírására, azonban ezekhez megfelelő, nagy számítási kapacitású rendszerek szükségesek. Az első részben a kutatás célja egy gyors numerikus algoritmus megtalálása, amely képes a fent említett effektusok megfelelő pontosságú modellezésére többszáz watt kimeneti teljesítmény esetén, de mindezt ésszerű számítási idő alatt, akár egy kereskedelmi forgalomban kapható személyi számítógépen. A szálerősítők modellezésében szintén elmondható, hogy a numerikus módszerek alkalmazhatósága ilyen nagy teljesítmények esetén viszonylag feltáratlan. A következő szakasz célja egy megfelelő numerikus modellezési eszköz megtalálása nagy teljesítményű szállézerekhez, a kimeneti teljesítményük és az erősített spontán emisszió szintjének előrejelzésére. Csillag köpenyű adalékolt szálas erősítőket vizsgálok, köpenybe pumpált alkalmazásokhoz. Mind a szállézerek, mind a szálerősítők felépített modelljeit átfogóan validáltam mérések segítségével. 3

6 2. KUTATÁSI CÉLKITŰZÉSEK 2.2 PPLN-alapú fázisérzékeny erősítők és fázisregenerátorok matematikai modellezése és kísérleti megvalósítása PSA-kat és a feketedoboz-jellegű fázisregenrátorokat binárisan fázismodulált (binary phase shift keying, BPSK) jelekre korábban már megvalósítottak, az erősen nemlineáris szálakban (highly nonlinear fiber, HNLF) fellépő négyhullám-keverést alkalmazva. A következő rész célja, hogy bemutassa az első PPLN-alapú, tisztán optikai, feketedobozjellegű fázisregenerátor kísérleti megvalósítását BPSK jelekhez. Egy feketedoboz-jellegű regenerátor közel áll a gyakorlatban alkalmazható vonali fázisregenerátorokhoz abban az értelemben, hogy a bemenetén nincs szükség a modulált jel pontos hordozóhullámjára, a hordozó hullám rekonstrukcióját maga végzi el egy beleépített rendszerrel. Az elrendezés kiaknázná a PPLN-ek kompaktságát, Brillouin szórástól mentes működését és az kicsi spontán emissziós zajszintet, ezzel rugalmas alternatíváját teremtve a nemlineáris szálon alapuló konfigurációknak. Míg a fenti kísérleti elrendezés felépítése olyan, hogy egyetlen hullámhosszon valósítson meg regenerálást az 1550 nm-es ablakban, addig a PPLN-ek egy fő előnye a lehetőség több hullámhosszú csatorna egyidejű, ultrakicsi zajú fázisérzékeny erősítésére, mérsékelt csatornaközi áthallás mellett, amely az alkalmazott másodrendű nemlineáris hatások eredménye. Mivel a PPLN-ek véges kvázi fázisillesztési sávja szűrőként hathat a parazita áthallási termékekre, ez áthallás szempontjából előnyt jelenthet a nemlineáris szálakat alkalmazó parametrikus erősítőkhöz képest, hullámhossz osztásos (wavelength division multiplexed, WDM) rendszerekben. Az utolsó szakasz célja egy kísérletileg validált numerikus modell kifejlesztése, amellyel előre jelezhető több WDM csatorna közötti áthallás PPLN PSA láncokban, valamint az áthallás összehasonlítása a parametrikus erősítő láncokban keletkező áthallással, különböző átviteli paraméterek esetén. Több csatorna egyidejű fázisösszenyomásának hatékonyságát is vizsgálom, kizárólag kísérleti úton. 4

7 3 Módszertan 3.1 Nemlineáris hullámterjedés optikai szálakban Jelen dolgozatban a CW szállézerek modellezéséhez az egymódusú optikai szálakra megalapozott impulzusterjedés elméletének általánosítását használom [35]. Az önfázismoduláción felül, a szállézerekre megoldott nemlineáris Schrödinger egyenlet (nonlinear Schrödinger equation, NLSE) magában foglalja a csoportsebesség diszperzió és a csillapítás hatását, míg száloptikai parametrikus erősítők esetén a keresztfázis modulációval és a négyhullám keveréssel is számolok. A kísérleti validálásnak megfelelően a magasabb rendű nemlinearitásokat: a Raman szórást, az impluzusmeredekség növekedését és az optikai sokkok képződését elhanyagolom a vizsgálatokban, és a szimmetrikus split-step Fourier módszerrel oldom meg az egyenleteket. 3.2 A lézerközeg leírása A szállézerek és adalékolt szálerősítők tárgyalásában a redukált kétszintes mérlegegyenletek a teljesítményváltozást leíró egyenletekkel kombinálva kerülnek megoldásra [36]-nek megfelelően. A modellezésben az Yb szál redukált kétszintes közeggel közelíthető, mivel gyors nemsugárzásos átmenetek történnek a metastabil állapotba [37]. Az erősítők modellezésekor azok spektrális tulajdonságaira koncentrálok, ehhez az effektív átfedési integrál (effective overlap integral, EOI) modellt használom, ahogy szállézerek esetében is. A modellben az adalékolt szál térbeli tulajdonságait és a móduseloszlást az átfedési integrállal jellemzem, továbbá stacioner populációinverziót tételezek fel minden számításkor. 5

8 3. MÓDSZERTAN 3.3 CW lézerek modellezése: a fázis sztochasztikus változása Ahogy korábban említettem, a szálakban való nemlineáris impulzusterjedés leírásának megalapozott módszereit általánosítani kell CW nyalábok kezelésére, figyelembe véve azok véges vonalszélességét. A nyalábokat parciálisan koherensnek tekintjük tökéletesen koherens helyett, azaz a koherenciahossz a nyalábban előforduló impulzusok szélességénél kisebb [35]. A parciálisan koherens nyalábok fázis és intenzitás fluktuációkat egyaránt mutatnak, egymódusú szálakban való terjedésüket a fázisdiffúziós modell [38]- [40] segítségével írom le, ahol a szálba csatolt, állandó teljesítményű nyaláb fázisának időfüggését Wiener folyamattal közelítik. 3.4 Másodrendű nemlinearitások PPLN-ben Három együtt terjedő, koherens elektromágneses hullám között a másodrendű nemlineáris közegben három különböző hatás jöhet létre, hullámhosszuktól és fázisuktól függően: másodharmonikus-keltés (second-harmonic generation, SHG), összegfrekvencia-keltés (sum-frequency generation, SFG), valamint különbségfrekvencia-keltés (difference-frequency generation, DFG). A kisebb frekvenciájú hordozó hullámokat az 1550 nm-es telekommunikációs ablakban elhelyezve a másodharmonikus 780 nm közelében lesz. Amikor egy pumpáló hullámot és két különálló hullámot, a pumpa körüli szimmetrikus frekvenciával és megfelelő relatív fázissal a hullámvezetőbe csatolunk, a SHG, SFG és DFG folyamatok egyidőben jelennek meg, amit kaszkádosított másodrendű folyamatnak nevezünk. Mivel a pumpa kivételével a bemeneti hullámok általában fázismoduláltak a PSA elrendezésekben, ebben a munkában a kisebb frekvenciájú hullámot signal-nak, míg a másikat idler-nek nevezzük a továbbiakban. A PSA kísérletekben rendszerint ahogy itt is egy signal-hoz és pumpához fázisban korrelált idler keletkezik az első fokozatban zajból, ezzel egy későbbi fokozatban elérhető a signal fázisregenerálása. A három hullámra végbemenő kaszkádosított folyamatra létező egyenleteket [31] általánosítom a munkámban, azon célból, hogy leírják a kaszkádosított folyamatot szomszédos hullámhosszú csatornákra a WDM hullámhossz kiosztáson, és megadják a csatornák közti áthallás mértékét. Az általánosított egyenleteket véges differrencia módszerrel oldom meg. 6

9 4 Új eredmények 4.1 Nagyteljesítményű, folytonos üzemű szállézerek és erősítők modellezése 1. tézis: Újszerű matematikai modelleket fejlesztek ki nagyteljesítményű, CW, két irányban pumpált, lineáris alakú, Yb-adalékolt szállézerekhez és nagy teljesítményű Yb-adalékolt szálerősítőkhöz. Kísérletek segítségével validálom a modelleket tézis: Kifejlesztek egy újszerű, gyors numerikus modellt nagyteljesítményű, CW, két irányban pumpált, lineáris alakú, Yb-adalékolt szállézerekhez. Kísérletileg validálom a modellt egészen 708 W kimeneti teljesítményig. A terjedési megoldó magában foglalja a nemlineáris Schrödinger egyenletet és a mérleg-egyenleteket, míg a terjedés számításának kezdeti feltételei egy fázisdiffúziós modell kimenetének iteratív spektrális szűrésén alapulnak. Ez több mint egy nagyságrend csökkenést tesz lehetővé a számítási időben, összevetve a már publikált kezdeti zaj iteratív változásával egy effektív terjedési vonalon. A disszertáció 4. fejezete Kapcsolódó publikációk: [C1],[J1] A modell a a teljesítmény változással és mérleg-egyenletekkel kombinált NLSEn alapszik. A kezdeti, előre és hátra irányban haladó CW lézer nyalábokat spektrálisan szűrt parciálisan koherens nyaláboknak tételezem fel, hozzáadott egy foton per módus zajjal, mielőtt az becsatolásra kerül a szálba. A kezdeti nyaláb paramétereket az iterációs eljárással számolom. A kifejlesztett modellt 7

10 4. ÚJ EREDMÉNYEK Ábra 4.1: A validálásra használt kísérleti elrendezés alaposan validálom mérésekkel. A köpenybe pumpált osztcillátor kísorleti elrendezése a 4.1. ábrán látható. A 20 m hosszú Yb-adalékolású szálat egy nagy reflektivitású, szálba integrált Bragg rács (high reflection, HR) és egy kicsatoló (output coupler, OC) határolja, és több multimódusú lézerdióda pumpálja, melyeket OFS kombinálók csatolnak a szálba mind előre, mind hátra irányból. A CW lézer kimeneti spektrális teljesítmény sűrűségét kiszámító algoritmus három különböző iterációs fokozatból áll, amelyet a disszertációban egy részletes folyamatábra szemléltet. Az algoritmus minden fokozatában a visszafelé haladó signal spektrális teljesítményét a HR-nél iteratívan határozza meg a reflexió előtt, egy megfelelő signal visszacsatoló függvénnyel való szorzással, mielőtt az előre és hátrafelé haladó signal-okra és pumpákra megoldaná a terjedést. Mindegyik fokozat megtalálja az optimális visszacsatoló függvényt, hogy megadott pontossággal teljesüljenek a peremfeltételek. Az 1. fokozat célja közelítő signal teljesítmények kiszámítása, és a nemlineáris spektrális kiszélesedést ekkor nem veszem figyelembe. Így az Yb-adalékolt szálban történő terjedés minden diszperzív és nemlineáris effektust elhanyagol, és kizárólag a spektrális komponensek erősítésére korlátozódik. Az ebben a szakaszban használt modell az effektív átfedési integrál közelítésen alapszik. A 2. fokozat célja, hogy egy Lorentz függvény formájában durva becslést adjon a hátrafelé haladó signal spektrális alakjára a HR-hez közel, amit a fázisdiffúziós modell alkalmazásával érek el a fázis időbeli változására. A 2. fokozat terjedési megoldója a NLSE-n alapszik egy hozzáadott erősítési taggal, amellyel a nemlineáris közegben történő lézererősítést modellezem mind az előre, mind a hátrafelé haladó signal nyalábokra. A 3. fokozatban egy spektrális szűrő függvényt vezetek be, melynek célja a már kiszámított Lorentz spektrum pontosítása. Ez a fokozat [40] ötletén alapszik, ahol a nagy teljesítményű CW nyalábok spektrális kiszélesedését vizsgálták a szálban való terjedés közben. A forrásokat sikeresen modellezték egy fázisdiffúziós 8

11 4.1 Nagyteljesítményű, folytonos üzemű szállézerek és erősítők modellezése Ábra 4.2: Számított és mért kimeneti teljesítmények a teljes pumpáló teljesítmény függvényében, (a) kétirányú, (b) előre irányú és (c) hátra irányú pumpa mellett modell kimenetének spektrális szűrésével, így visszakapták a lézerek mért spektrumait. Itt ezt a koncepciót általánosítom és megmutatom, hogy egy nagy teljesítményű, Yb-adalékolású szállézer kimeneti spektruma előre jelezhető egy fázisdiffúziós modell kimeneti spektrumának iteratív szűrésével, megfelelő iteráló függvény által. A felépített modell validálását különböző pumpáló sémákra végeztem el, a pumpáló teljesítményeket 460 W-ig növeltük egy irányban. A kimeneti signal teljesítmények a pumpa teljesítmények függvényében a 4.2. ábrán láthatók, míg a mért és számított spektrumok összehasonlítását a 4.3. ábra mutatja. Minden esetben nagyon jó egyezést kaptam a mért és számított eredmények között. A számításokat egy 8-magos Intel Xeon X5450@3.00GHz asztali architektúrán futtattam 16GB RAM-mal. 5 percen belüli számítási időket értem el akár a legnagyobb pumpáló teljesítmény esetében is, lehetővé téve ésszerű időn belüli számításokat anélkül, hogy extrém számítási kapacitásra lenne szükség tézis: Numerikus szimuláció és kísérletek segítségével elsőként mutatom be az effektív átfedési integrál módszer érvényességét nagyteljesítményű, Yb-adalékolt szálerősítőkre, egészen 1 kw kimeneti teljesítményig, abban az esetben, ha a 9

12 4. ÚJ EREDMÉNYEK Ábra 4.3: Számított (vonalak) és mért (markerek) spektrális teljesítmények a következő pumpákkal: 922 W kétirányú pumpa teljesítménye (folytonos vonal körökkel), W hátra irányú pumpa teljesítménye előre irányú pumpa nélkül (szaggatott vonal négyzetekkel) és W előre irányú pumpa teljesítménye hátra irányú pumpa nélkül (pontozott vonal keresztekkel) csillag alakú adalékolt szálon kétirányú köpenybe pumpálást alkalmaznak. Kimutatom, hogy az effektív átfedési integrál értéke függ a pumpáló lézer numerikus apertúrájától, és az integrál értéke az adalékolt szál mag/köpeny területaránya valamint a mag és a köpeny köré írható kör területaránya közé esik. A disszertáció 5. fejezete Kapcsolódó publikáció: [J2] Ennek a tézisnek a modellezési része ismét a teljesítmény változását leíró egyenleteken és a -egyenleteken alapul EOI közelítés mellett, célja egy Yb-adalékolású szálerősítő modellezése kétirányú pumpálás mellett. A terjedési egyenleteket az erősített signal-ra, előre és hátra irányú pumpákra, valamint az előre és hátra irányú, erősített spontán emissziós nyalábokra oldom meg, mindet a felbontva a frekvencia tartományban. Egy heurisztikus iterációs formulát alkalmazok, hogy megtaláljam a peremfeltételeket kielégítő megoldást. Ez az erősítő erősítését iterálja ahelyett, hogy pusztán a nyalábok teljeítményét változtatná a terjedés előtt. Az erősítő pontos modellezéséhez az abszorpciós és emissziós hatáskeresztmetszet, 10

13 4.1 Nagyteljesítményű, folytonos üzemű szállézerek és erősítők modellezése Ábra 4.4: Mért, analitikusan számított és szimulált signal kimeneti teljesítmények a szálhossz függvényében. A belső ábra a numerikus megoldásokból kapott inverziós szintet mutatja, ami elegendően kicsi, így elhanyagolható. valamint a signal EOI modell paramétereket előre meghatároztam kísérletek útján. A modellt három különböző kimeneti teljesítmény tartományban használom: néhány milliwatt, néhányszor tíz watt és többszáz watt, egészen 1063 W-ig. A számítási eredményeket az összes teljesítmény tartományban kísérletekkel hasonlítom össze. Minden esetben igen jó egyezést kapok, ami mind a mért modell paramétereket, mind az EOI módszert validálja a kidolgozott iterációs formulával, akár 1 kw feletti kimeneti teljesítmények esetén is. Az 4.4. ábra a validálás eredményeit mutatja a néhány milliwattos tartományban az analitikus megoldással együtt, míg a 4.5. ábra a többszáz wattos tartományban mutatja be a mért és számított eredmények egyezését. Mivel a pumpáló diódák numerikus apertúrája különbözik a néhány milliwattos és nagyobb pumpáló teljesítmények esetében a nemlineáris önfókuszálás miatt [41]-[42], lehetséges összehasonlítani a pumpa EOI parmétereit a különböző teljesítmény tartományokban, alkalmazva a modellt. Ahogy azt a 4.4. ábra személelteti, Γ = megfelelő a milliwattos pumpáló teljesítmény tartományában. Többszáz wattos pumpáló teljesítmény esetén, mindazonáltal, az eredmények alapján Γ = érvényes, ahogy az a 4.5. ábrán látható. Ezen kívül megjegyzem, hogy a köztes teljesítményt jelentő, néhányszor tíz wattos tartományban 11

14 4. ÚJ EREDMÉNYEK Ábra 4.5: Mérés és szimuláció egy 1070 W kimenetű erősítő elrendezéshez, Γ = at használva a pumpa átfedési integráljára a számításokban. Az eredmények közti relatív eltérést a kék keresztek jelzik, amely 2 % alatt marad Ábra 4.6: A csillag alakú köpennyel rendelkező szál keresztmetszete, r cl külső sugárral szintén Γ = bizonyul érvényesnek, ami a mérések és számítások hasonló összevetésével adódik. A fenti Γ értékekből adódik, hogy a vizsgált pumpáló teljesítmény tartományban az EOI parameter szélső értékei a mag/köpeny területarány és a mag/köpeny köré írható kör területarány, a 4.6. ábrának megfelelően. Közbülső pumpáló teljesítményekre és numerikus apertúrákra az EOI értéke ezen szélsőértékek közé kell, hogy essen. Hálás köszönet illeti az OFS Laboratories-t (Somerset, NJ, USA) szíves együttműködéséért a szállézerek és erősítők kísérleti elrendezéseinek összeállításában. 12

15 4.2 Tisztán optikai fázis- és amplitúdó regenerálás 4.2 Tisztán optikai fázis- és amplitúdó regenerálás 2. tézis: Megvalósítom és kísérletileg elemzem az első PPLN-alapú, tisztán optikai, feketedoboz-jellegű BPSK fázisregenerátort tézis: Kísérletileg megvalósítom az első, tisztán optikai feketedobozjellegű PPLN-PPLN BPSK fázisregenerátort. Ez a kompakt PPLN eszközben fellépő másodrendű, kaszkádosított nemlinearitásokat hasznosítja, szemben a már létező, nemlineáris szálban fellépő harmadrendű nemlinearitásokon alapuló fázisregenerátorokkal. A disszertáció 6. fejezete Kapcsolódó publikációk: [C2, J3] Az 4.7. ábrán látható kísérleti elrendezést a National Institute of Information and Communications Technology (NICT) Photonic Network System Laboratory (Tokyo, Japan) telephelyén készítettem el. A korábban publikált, HNLF-en alapuló elrendezésekhez képest a jelen elrendezés legfőbb újdonsága, hogy kizárólag PPLN hullámvezetőket hasznosít mind a vivőhullám helyreállítására (Modulation clearing a 4.7. ábrán), mind a PSA fokozatban. A korábban publikált PPLN PSA kísérletekhez képest az elrendezés újdonsága a fekete doboz megvalósítás. Azaz, míg a korábbi PPLN PSA kísérletek a PSA működést egy rendelkezésre álló, modulálatlan idler hullámmal való kölcsönhatás segítségével érték el, amely a signal vivőhullámával volt fázisban korrelált, az általam megvalósított elrendezés alkalmas arra, hogy a signal modulációját törölje, és maga állítsa elő az idler-t. Az előállított idler-t regenerálásra használom az elrendezés PSA blokkjában. Az 4.7. ábrán a Noisy signal input blokk mutatja a 10 Gbps-os, BPSK jelek előállítását fázismodulátor segítségével, és a fázis- és amplitúdózaj hozzáadását változtatható mértékben. A Modulation clearing blokk helyreállítja a signal vivőhullámát, eltávolítja róla a zajt és létrehozza belőle az idler hullámot. A Phase sensitive amplification blokk felhasználja a korábban létrehozott idlert, hogy regenerálja az eredetileg bejövő, zajos signal fázisát. A fázisérzékeny erősítéshez az állandó optikai úthosszakat biztosítani kell, amelyet egy elektromos fáziszárt hurok végez (Phase locking control blokk). Az 4.7. ábra mutatja a 13

16 4. ÚJ EREDMÉNYEK Ábra 4.7: A PPLN-PPLN feketedoboz-típusú fázisregenerátor kísérleti elrendezése fázisviszonyokkal 14

17 4.2 Tisztán optikai fázis- és amplitúdó regenerálás hullámhosszakat (λ) és a fázisokat (φ) a signal-ra, idler-re és a pumpára az elrendezés lényeges pontjaiban, ahol az s, p, i és n indexek sorrendben a signal-hoz, pumpához, idler-hez és a zajhoz tartoznak tézis: A fázisregenerátor bemenetén lévő, mérsékelt fáziszaj esetén megmutatom, hogy a fáziszaj amplitúdózajjá történő parazita konverziója minimalizálható azáltal, hogy a fázisérzékeny erősítő bemenetén növeljük a jel és a pumpa teljesítményarányát, és eközben a fázisösszenyomás hatékonysága változatlan marad. A megnövekedett amplitúdózaj ellenére ez azt bizonyítja, hogy a PPLN PSA-k potenciálisan alkalmasak kombinált, tisztán optikai fázis- és amplitúdó regenerálásra egyetlen eszközben, hogyha az erősen telített erősítési tartományban való működtetésük a gyakorlatban megvalósul. A disszertáció 6. fejezete Kapcsolódó publikációk: [C2, J3] A regenerálás hatékonyságát a konstelláción megjelenő fázis és amplitúdó sztenderd szorásának a csökkenésével jellemezzük, ami a σ φ in /σ φ P SA és a σ A in / /σ A P SA módokon számítható, ahol az in és P SA indexek a bemenet és a PSA Ábra 4.8: Fázis- és amplitúdó összenyomás a signal-pumpa teljesítményarány függvényében: (a) σ φin = (b) σ φin = és (c) σ φin =

18 4. ÚJ EREDMÉNYEK kimenet értékeit jelentik. Az 4.8. ábrán látható a fázis- és amplitúdó regenerálás hatékonysága, a PPLN PSA bemenetén mért signal-pumpa teljesítményarány függvényében. Három eltérő bemeneti fáziszaj szintnél láthatjuk az eredményeket: (a) σ φ in = 0.453, (b) σ φ in = és (c) σ φ in = 0.504, valamint állandó bemeneti amplitúdózajt (σ A in = 0.16) használtam. A fázis szórásának arányai minden esetben 1 fölött vannak, jelezve a fázis összenyomását, míg az amplitúdó szórásának arányai 1 alattiak, jelezve a nem kívánt fáziszaj-amplitúdózaj konverziót. Habár a grafikonok az amplitúdó összenyomásának stabil növekedését mutatják a telített PSA működés felé, nagyobb signal teljesítményeknél, jelezve a csökkent zajkonverziót. Az 4.8. (a) és (b) ábrának megfelelően levonhatjuk a következtetést, hogy mérsékelt bemeneti fáziszaj mellett a nem kívánt fáziszajamplitúdózaj konverzió minimalizálható a fázisösszenyomás hatékonyságának csökkentése nélkül, a signal-pumpa teljesítményarány növelésével a PSA bemenetén. A fázis összenyomásában mutatkozó csökkenő trendet a 4.8. (c) ábrán a nem optimális signal-pumpa teljesítményaránynak tulajdonítom a telített üzemmódban, hasonlóan a parametrikus erősítőn alapuló PSA esetéhez [13]. A signal-ból a pumpáknak fázisérzékeny folyamatokon keresztül átadott fáziszaj nagyobb signal zaj esetén növekszik, rontva a fázis összenyomását. 4.3 WDM csatornák tisztán optikai fázisérzékeny erősítése 3. tézis: Bemutatom a csatornaközi áthallás első összehasonlítását PPLN PSA láncokban és száloptikai parametrikus erősítő láncokban egy numerikus modell segítségével, valamint kísérletileg validálom a modellt. Elsőként vizsgálom kísérletileg PPLN PSA-ban a WDM csatornák nemlineáris kölcsönhatását tézis: Bemutatok egy numerikus modellt több hullámhosszon lévő erősített csatornák terjedésének és nemlineáris kölcsönhatásának szimulációjára. A modell alkalmas tetszőleges csatornateljesítmények és fázisok kezelésére a PSA-k bemenetein, átlátszó a modulációs formákra nézve és kísérletileg validált. A disszertáció 7. fejezete Kapcsolódó publikáció: [J4] 16

19 4.3 WDM csatornák tisztán optikai fázisérzékeny erősítése A több WDM csatornás terjedési modellt PPLN-re a nemdegenerált signal/idler PSA konfigurációra felírt, kaszkádosított SFG/DFG és SHG/DFG csatolt módusegyenleteiből [31] terjesztem ki. Korábban [43]-ban Yamawaku és társai közelítő analitikus formulákat származtattak a WDM csatornák közti áthallás (crosstalk, XT) leírására, többcsatornás, kaszkádosított hullámhossz konverziós folyamatok esetén PPLN hullámvezetőkben, a pumpa elhanyagolható kiürülése mellett. Ezek az egyenletek alkalmazhatók idler keletkezésére vagy fázisérzéketlen erősítésre, azonban PSA alkalmazás esetén módosítani kell őket, hogy figyelembe vegyék a bejövő signal-ok fázisait és a signal-ok teljesítmény változását terjedés közben. Ennek megfelelően, a bemutatott újszerű terjedési megoldó figyelembe veszi ezen tényezőket, továbbá nagy teljesítményű pumpát feltételez számol a pumpa kiürülésével is. A javasolt modell mind PIA, mind PSA működésre érvényes, a modulációs formától független és figyelembe vesz minden lehetséges SFG és DFG folyamatot a C-sávban és a másodharmonikus tartományba eső csatornák között, valamint a pumpa másodharmonikusát. Mindazonáltal, elhanyagolja a signal és idler csatornák másodharmonikusait, mivel távol esnek a kvázi fázisillesztési sávtól, az alkalmazott őrsáv következményeként. A terek változásait csak akkor tekintjük XT-nak, ha csatornák olyan nemlineáris kölcsönhatása okozza, amelyik eltér a normál signal-degenerált pumpa-idler folyamattól, amit [25, 28] részletez. A számítások kiterjeszthetők XT leírására több kaszkádosított eszköz esetében, egymást követően összeadva a XT tagokat mindegyikben. Mivel a különböző signal csatornákon a PSA fokozatok után megjelenő koherens áthallást nehéz kísérletileg követni, a terjedési modell validálásához a mért és számított spektrumokat egyetlen PIA másoló fokozat után hasonlítom össze (4.9. ábra). A validáló kísérleti összeállítás azonos a [C4]-ban részletezett PPLN-PPLN másoló+psa elrendezés PIA fokozatával, a későbbiekben a ábrán látható. Megjegyzem, hogy kísérletileg hasonlóan validáltam a HNLF-alapú másoló+psa láncok felépített modelljét, amit részletesen tárgyalok a disszertációban tézis: A kifejlesztett modellt használva, szokványos rendszerparaméterek esetében megmutatom, hogy a PPLN PSA láncok jobb teljesítményt mutatnak áthallás tekintetében, dense WDM rendszerekben tipikus nagy csatornaszám esetén, összehasonlítva a parametrikus erősítőn alapuló PSA láncokkal. Ez a PPLN-ek 17

20 4. ÚJ EREDMÉNYEK Ábra 4.9: Kísérleti (a) és szimulált (b) spektrumok a PPLN PIA fokozat után véges kvázi fázisillesztési sávjának következménye, amely szűrőként hat a csatornák közti áthallásra. A disszertáció 7. fejezete Kapcsolódó publikáció: [J4] Fentebb egy újszerű modellt mutattam be a PPLN-beli áthallásra, de egy másik modell is született a csatornák teljesítményének alakulása és az áthallás kiszámítására HNLF-alapú PSA láncokban, a száloptikai parametrikus erősítőkben fellépő hatások implementálásával. Azaz, a modell magában foglalja a diszperziót és önfázis-modulációt minden különálló csatornára. Együtt a keresztfázis modulációval és a négyhullám keveréssel a kölcsönható csatornakombinációk között, a csatolt NLSE-t a szimmetrikus split-step Fourier módszerrel oldom meg, az elektromos terek változásának kiszámítására [35]. A terjedési modellek kísérleti validálását követően összehasonlítom a kétféle eszközből álló PSA láncokat azonos erősítés mellett. A számítási eredményeket azon esetekre mutatom be, amikor mindegyik signal csatornába 0 dbm teljesítményt csatolunk, valamint PSA fokozatonként 6 db, 10 db és 16 db erősítés mellett. Ahogy [44]-ban a szerzők, én is ideális optikai összeköttetéseket tételezek fel, a kromatikus diszperzió és a polarizációs módusdiszperzió tökéletes kompenzálásával, fázis- és teljesítmény regenerált pumpával, minden PSA előtt fáziszárással, valamint egyéb nemlinearitásokat nem veszek figyelembe. A szálban történő, PSA-k közötti terjedést egy halmozott csillapítással jellemzem, amely akkora, hogy változatlan signal csatorna teljesítményeket biztosít a PSA-k után elhelyezett, erősítést laposító szűrők kimenetein. A számított áthallás értékeket a ábrán szemléltetem. A felső sor, (a)-(c) mutatja az áthallást a másoló+1psa, míg az alsó sor (d)- (e) a másoló+5psa esetben. A ábra különböző oszlopai eltérő csatorna 18

21 4.3 WDM csatornák tisztán optikai fázisérzékeny erősítése hullámhosszakhoz tartoznak. Balról jobbra haladva, az oszlopok a legalacsonyabb ((a) és (d)), a közepes ((b) és (e)) és a legmagasabb ((c) and (f)) frekvenciájú csatornákhoz tartoznak. A csatornaszám 4-ről 18-ra növelésével a nagyobb áthallást szilárd nyilak jelzik HNLF-re és szaggatott nyilak PPLN-re, hasonlóan a különböző eszközök grafikonjainak a vonalstílusához. Megjegyzem, hogy a növekvő csatornaszám szükségszerűen növeli az őrsávot és változtat a csatornák hullámhoszszán, amit mindegyik grafikonon jelöltem. 4-csatornás rendszerekre a HNLF-alapú láncok áthallása akár 9dB-lel jobb, mint a PPLN-alapúaké a másoló+1psa esetben, valamint akár 12dB-lel jobb a másoló+ 5PSAs esetben, a csatornától és az erősítéstől függően. A különbség a legnagyobb frekvenciájú signal csatorna esetén a leglátványosabb, melynek a hullámhossza a pumpáéhoz a legközelebb van. 4-ről 18-ra növelt csatornaszám esetén mind a PPLN-, mind a HNLF-alapú eszközök esetén nagyobb áthallást kaptam, habár a növekedés a PPLN-ek esetében kisebb volt. Ez 18 csatorna esetén nagyobb áthallást eredményezett a HNLF-alapú eszközökre, mint a PPLN-alapúakra, a másoló+1psa és a másoló+5psa láncoknál rendre legfeljebb 8dB-lel és 7dBlel. Mindazonáltal a legnagyobb frekvenciájú signal csatornára a PPLN-ben számított áthallás csak 16dB fázisérzékeny erősítésnél válik kisebbé. Ezt a jelentős különbséget az áthallás növekedésében PPLN- és HNLF-alapú PSA-k között a Ábra 4.10: Áthallás összehasonlítása HNLF és PPLN PSA láncokban különböző signal csatornákban: másoló+1psa (felső sor), másoló+5psas (alsó sor) 19

22 4. ÚJ EREDMÉNYEK véges kvázi fázisillesztési sávnak tulajdonítom, korlátozva a SFG és DFG termékeket nagy csatornaszám esetén. Ez a szűrő mechanizmus kevésbé jelentős HNLF esetén, ezzel szélesebb hullámhossz tartományban hozva létre áthallást, mint a PPLN esetén. A -10 dbm és 5 dbm signal csatorna teljesítményekre megismételt számítások a fentiekhez hasonló trendeket tártak fel tézis: Kísérletek segítségével megmutatom, hogy több csatorna fázisösszenyomásának mértéke PPLN-alapú PSA-kban közel független a csatornaszámtól felfelé 9 csatornáig, valamint független a csatornaköztől lefelé 50 GHz-ig, alkalmassá téve a PPLN PSA-kat nagy csatornaszám melletti működésre. A disszertáció 7. fejezete Kapcsolódó publikációk: [C3, C4] Az elrendezést szintén az NICT Photonic Network System Laboratory-ban készítettem a PPLN PSA-k áthallásának kísérleti vizsgálatához. A signal hullámhosszakat 50 GHz-es csatornaosztásra állítottam nm és nm között, hogy szükséges, nagy teljesítményű erbium adalékolású szálerősítők (erbium-doped fiber ampilifier, EDFA) optimális erősítési tartományába essenek. A következő regenerálási mérésekhez minden signal áthalad a PPLN A-n, amely így PIA-ként viselkedik, ahol a fázisban korrelált idler hullámok keletkeznek. A signal/idler párok ezután elválnak a pumpától egy WDM osztó különböző ágain (Interferometer egység). A signal karon 10 Gbps BPSK jelet modulálok minden signal/idler párra. Az Interferometer ágainak optikai úthosszait egy fáziszárt hurok egyenlíti ki, hasonlóan a 4.7. ábra elrendezéséhez. Ezt követően a pumpát újra kombinálom a signal-okkal és idler-ekkel, ami által a signal/idler párok mindegyikén jelen lévő moduláció (φ data ) az újrakombinált hullámok relatív fázistolásává változik át. Az erősítést követően a kombinált pumpa és signal/idler párok a PPLN B-be jutnak, amely így PSA-ként működik, regenerálva a BPSK szimbólumok fázisát. Offline jelanalízist hajtok végre különböző signal/idler kombinációkkal, a fázisérzékeny és fázisérzéketlen működést pedig az idler-ek elnyomásával hasonlítom össze. Kezdetben, minden más csatornát blokkolva, külön minden signal csatornát mértem felváltva fázisérzéketlen és fázisérzékeny módban. Az összehasonlítást a megfelelő idler blokkolásával vagy átengedésével végeztem a programozható szűrőben. Következőnek, minden signal-t és idler-t átengedve, a középső csatornán (λ S5 ) mértem a konstellációt. Ekkor az eljárást megismételtem 20

23 4.3 WDM csatornák tisztán optikai fázisérzékeny erősítése Ábra 4.11: Kísérleti elrendezés a modell validálásához, valamint többcsatornás fázisösszenyomás hatékonyságának méréséhez 21

24 4. ÚJ EREDMÉNYEK Ábra 4.12: A középső csatornára kapott konstellációk, ha minden signal-t használok (a) fázisérzéketlen és (b) fázisérzékeny működéskor, valamint (c) a σ φ P IA /σ φ P SA and σ A P IA /σ A P SA arányok a csatornaosztás függvényeként úgy, hogy a signal-t és a hozzá tartozó idler-t a λ S2, λ S4, λ S6, λ S8 hullámhosszakon blokkoltam, ezzel 5*100 GHz osztású csatornákat hagyva, míg végül λ S3 -at és λ S7 -et szintén blokkoltam, 3*200 GHz csatornaosztást meghagyva. Minden esetben a mért konstellációkat elemeztem és a fázisösszenyomás hatékonyságát a σ φ P IA /σ φ P SA arány megadásával hasonlítottam össze, ahol a P IA index a blokkolt idler-rel elvégzett méréseket jelenti. Az arányt pozitívnak mértem, minden esetben közöttinek, jelezve a fázis összenyomását. A (a) és (b) ábrán a konstellációs diagramok példái láthatók az 5. csatornára, amikor az összes többi, 50 GHz-es csatorna jelen van, fázisérzéketlen és fázisérzékeny esetben is. A csatornaosztás változtatásának a középső (5.) csatorna mért konstellációjára gyakorolt hatását a (c) ábra mutatja, ahol a fázisok és amplitúdók szórásának arányait láthatjuk a mért konstellációkra, a csatornaosztás függvényében. A (a) és (b) ábra konstellációiból következik, hogy a második PPLN bemenetén jelen lévő idler a signal fázis jelentősen osszenyomását eredményezi. A (c) ábrán a csatornaszám függvényében a fázisösszenyomás mértéke az 5. csatornára alig változott, jelezve, hogy a plusz csatornák jelenléte nem befolyásolja a fázisösszenyomás hatékonyságát a PPLN-PPLN PSA-ban, és hogy a szomszédos csatornákból származó áthallásnak nincs hatása erre a fázisérzékeny kölcsönhatásra, még 50 GHz csatornaosztás esetén sem. 22

25 5 Az eredmények alkalmazhatósága Az 1. téziscsoport bemutatott eredményei lehetővé teszik, hogy nagy teljesítményű, két irányból pumpált Yb-adalékolt szállézerek és szálerősítők beépített elemeinek paramétereit megbecsüljük. A lézerek és erősítők számos eszköz paraméterét úgymint az adalékolás koncentrációját és profilját, a tükrök sávszélességét és reflexiós spektrumaik alakját nehézkes módosítani az elrendezés elkészültét követően, ami szükségessé teszi ezen paraméterek előzetes becslését. A bemutatott modelleket használva ezek a becslések többszáz watt kimeneti teljesítményig elvégezhetők, belátható időn belül, akár egy kereskedelmi forgalomban kapható személyi számítógépen is. A 2. téziscsoportban bemutatom egy kizárólag PPLN-alapú, tisztán optikai, feketedoboz-típusú BPSK fázisregenerátor első kísérleti megvalósítását és vizsgálatát. A PPLN hullámvezetők kompakt eszközök, amelyekben benne rejlik az integrálás lehetősége. A munkám során megmutattam, hogy ezek az eszközök ígéretesek a jövő nagy sebességű hálózatainak tisztán optikai regenerálásában. Így lehetővé válik egyszerűbb és olcsóbb regenerátorok építése, melyek energiafelhasználása és méretigénye is kisebb, mint a jelenlegi, optikai-elektromos-optikai konverzión alapuló regenerátoroké. Ezen felül a többcsatornás rendszerek esetén jelentkező, nagymértékű elektromágneses interferencia sem lenne jelen. A PPLN-ek egy másik ígéretes felhasználása az optikai átvitelben a PSA több hullámhosszon, WDM rendszerekben, amit a 3. téziscsoportban vizsgálok. A PPLNalapú PSA-kra megmutatom, hogy alkalmasak WDM csatornák erősítésére kis áthallás és zaj mellett. Ez különösen nagy számú WDM csatorna esetén igaz, ahol kisebb áthallást mutatnak, mint a száloptikai parametrikus erősítőt alkalmazó PSA-k. A kiszámított eredményeken túl, a kifejlesztett analitikus modell alkalmas rá, hogy a 23

26 5. AZ EREDMÉNYEK ALKALMAZHATÓSÁGA jövőben alkalmazott, PSA-n alapuló, ultrakicsi zajú optikai átviteli rendszerekben fellépő csatornaközi áthallást meghatározza. 24

27 Tézisekhez kapcsolódó publikációk Folyóirat cikkek [J1] Áron Szabo, Zoltán Várallyay, 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, [J2] Z. Várallyay, Á. Szabó, 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, [J3] Áron Szabo, Benjamin J. Puttnam, Dániel 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 , , 2, 13, 15 [J4] Áron Szabo, Benjamin J. Puttnam, Dániel Mazroa, André 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 , , 18 Konferenciacikkek [C1] Áron Szabo, Zoltán Várallyay, 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] Áron Szabó, 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, , 15 [C3] Benjamin J. Puttnam, Áron Szabo, Dániel Mazroa, Satoshi Shinada and Naoya Wada, Multi-channel phase squeezing in a PPLN-PPLN PSA, Optical Fiber Commu- 25

28 TÉZISEKHEZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓK nication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC), paper OW3C.6, [C4] Benjamin J. Puttnam, Áron Szabo, Dániel 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 , , 20 26

29 További publikációk Folyóirat cikkek [J5] Áron Szabo and Zoltán Várallyay, Numerical Study on the Saturable Absorber Parameter Selection in an Erbium Fiber Ring Oscillator, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 24, pp , [J6] Z. Várallyay, K. Saitoh, Á. Szabó and R. Szipőcs, Photonic bandgap fibers with resonant structures for tailoring the dispersion, Optics Express, vol. 17, pp , [J7] Áron Szabo and Szilárd Zsigmond, Determining the Optimal Signal Power Based on Physical Effects in CWDM Optical Networks, Infocommunictaions Journal [Invited], vol. 63, pp , [J8] Áron Szabo, Szilárd 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 , [J9] André Albuquerque, Benjamin J. Puttnam, Miguel Drummond, Áron Szabó, Dániel Mazroa, Satoshi Shinada, Naoya Wada and Rogerio N. Nogueira, Phase-sensitive amplification in a single bi-directional PPLN waveguide, Optics Express, vol. 21, pp , Konferenciacikkek [C5] Z. Várallyay, K. Saitoh, Á. Szabó, K. Kakihara, M. Koshiba and R. Szipőcs, Reversed Dispersion Slope Photonic Bandgap Fibers and Femtosecond Pulse Propagation, OFC/NFOEC, paper JThA4, [C6] Á. Szabó, 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 , 2008 [C7] André Albuquerque, Miguel Drummond, Rogerio N. Nogueira, Benjamin J. Puttnam, Satoshi Shinada, Naoya Wada, Áron Szabó and Dániel Mazroa, Investigation of black- 27

30 TOVÁBBI PUBLIKÁCIÓK box phase regeneration using single bi-directional PPLN waveguide, OFC/NFOEC, paper OW4C.2, [C8] A.A.C. Albuquerque, B.J. Puttnam, M.V. Drummond, Á. Szabó, 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), [C9] D. Mazroa, B.J. Puttnam, Á. Szabó, S. Shinada, N. Wada, PPLN-based all-optical QPSK regenerator, 15th International Conference on Transparent Optical Networks (IC- TON), [C10] D. Mazroa, Á. Szabó, T. Cinkler, B.J. Puttnam, S. Shinada, N. Wada, Modelling alloptical phase-sensitive BPSK and QPSK regenerators, IEEE International Conference on Communications (ICC), pp ,

31 Hivatkozások [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): , [2] R. Y. Chiao, E. Garmire, and C. H. Townes. Self-Trapping of Optical Beams. Physical Review Letters, 13: , Oct [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): , [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): , Jun [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, [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): , Jul [7] D. J. H. C. Maas, A. R. Bellancourt, M. Hoffmann, B. Rudin, Y. Barbarin, M. Golling, T. Südmeyer, and U. Keller. Growth parameter optimizationfor fast quantum dot SESAMs. Opt. Express, 16(23): , Nov [8] Andreas Schmidt, Simon Rivier, Günter Steinmeyer, Jong Hyuk Yim, Won Bae Cho, Soonil Lee, Fabian Rotermund, Maria C. Pujol, Xavier Mateos, Magdalena Aguiló, Francesc Díaz, Valentin Petrov, and Uwe Griebner. Passive mode locking of Yb:KLuW using a single-walled carbon nanotube saturable absorber. Opt. Lett., 33(7): , Apr [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): , Mar [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): , May [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): , Dec [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): , Apr

32 HIVATKOZÁSOK [13] Radan Slavík, Francesca Parmigiani, Joseph Kakande, Carl Lundström, Martin Sjödin, Peter A. Andrekson, Ruwan Weerasuriya, Stylianos Sygletos, Andrew D. Ellis, Lars Grüner-Nielsen, 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): , Sep , 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 [15] G. Mourou, B. Brocklesby, T Tajima, and J. Limpert. The future is fibre accelerators. Nature Photonics, 7: , [16] C. Xu and F. W. Wise. Recent advances in fibre lasers for nonlinear microscopy. Nature Photonics, [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, [18] C. Jauregui, J. Limpert, and A. Tünnermann. High-power fibre lasers. Nature Photonics, [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, [20] Stuart D. Jackson. High-power fiber lasers for the shortwave infrared, [21] E. Stiles. New developments in IPG fiber laser technology. In Proceedings of the 5th International Workshop on Fiber Lasers, [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, [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, [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, [25] Z. Tong, C. Lundström, P. A. Andrekson, C. J. McKinstrie, M. Karlsson, D. J. Blessing, E. Tipsuwannakul, B. J. Puttnam, H. Toda, and L. Grüner-Nielsen. Towards ultrasensitive optical links enabled by low-noise phase-sensitive amplifiers. Nature Photonics, 5(7): , Jun , 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): , dec.1, [27] A Gravitational wave observatory operating beyond the quantum shot-noise limit: Squeezed light in application. Nature Phys., 7: , [28] Benjamin J. Puttnam, Dániel Mazroa, Satoshi Shinada, and Naoya Wada. Phase-squeezing properties of non-degenerate PSAs using PPLN waveguides. Opt. Express, 19(26):B131 B139, Dec , 17 30

33 HIVATKOZÁSOK [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): , Mar [30] D. J. Lovering, J. Webjörn, P. St. J. Russell, J. A. Levenson, and P. Vidakovic. Noiseless optical amplification in quasi-phase-matched bulk lithium niobate. Opt. Lett., 21(18): , Sep [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): , Oct , 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): , Apr [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): , Jun [34] R.-D. Li, P. Kumar, and W.L. Kath. Dispersion compensation with phase-sensitive optical amplifiers. Journal of Lightwave Technology, 12(3): , [35] G. Agrawal. Nonlinear Fiber Optics. Optics and Photonics. Elsevier Science, , 6, 18 [36] C.R. Giles and E. Desurvire. Modeling erbium-doped fiber amplifiers. Journal of Lightwave Technology, 9(2): , 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): , Aug [38] Melvin Lax. Classical Noise. V. Noise in Self-Sustained Oscillators. Physical Review, 160: , Aug [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): , Jun [40] Michael H. Frosz. Validation of input-noise model for simulations of supercontinuum generation and rogue waves. Opt. Express, 18(14): , Jul , 8 [41] R. Paschotta, J. Nilsson, A.C. Tropper, and D.C. Hanna. Ytterbium-doped fiber amplifiers. IEEE Journal of Quantum Electronics, 33(7): , [42] J.R. Marciante and G.P. Agrawal. Controlling filamentation in broad-area semiconductor lasers and amplifiers. Applied Physics Letters, 69(5): , [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 LiNbO 3 Waveguide. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 12(4): , [44] Zhi Tong, C. J. McKinstrie, Carl Lundström, Magnus Karlsson, and Peter A. Andrekson. Noise performance of optical fiber transmission links that use non-degenerate cascaded phasesensitive amplifiers. Opt. Express, 18(15): , Jul