CC BY
3
УДК 621.39
Суцшьно-волоконний двохчастотний ВКР лазер для телекомушкацшних систем терагерцового д!апазону
Дружипгп В. А., Корчак О. В., Резитов М. /., Фелгнський Г. С.
Ки'шський иацншалышй ушворситот ¡Moiii Тараса Шовчоика E-mail: fel-inekyi.ge&gmaU. com
3 метою вдоскопалеппя терагерцових техпологш та шдвищеппя ефективпост! джерел випромиповапия для телекомушкац!йних систем терагерцового д!апазону запропоновано двохвильовий (2Л) волоконний лазер, в якому геперац!я створюеться за рахупок ефекту вимушепого комбшацшпого розсиоваппя. За результатами апал!зу паяв1шх експеримепталышх даиих у робот! встаповлепо. що профиль шдсилеппя вимушеного комбшащйного розаювання в одномодових волокнах дозволяв реал!зувати 2Л лазер у повшетю волокошюму викопапш. Головною перевагою запропоповапого терагерцового джерела е сут-теве змепшеппя фазових шум!в. якого сл!д очшувати за рахупок геперацп обох лазер!в в!д сшлыюго джерела помпування. Визначено головш параметри волоконних бреГГ1вських Граток для 2А лазерних резоиатор1в. сукупшсть яких доводить i'x в!дпов1дшсть сучаспим вимогам мополгикн штеграцп пристрою у noBiiicTio волокоипу копструкцпо. Шляхом моделюваиия у р!зпих типах волокна встаповлепо можлшметь змепшеппя порогово! потужпост! пакачки щопаймепше у 400 раз!в. що дозволить зпачпо змепшити масо-габаритш характеристики такого лазера.
Клюноог слова: вимушепе комбшацише розояппя: волокита брегпвська гратка: волокоппий лазер: ла-зерпий резонатор: потужшеть пакачки: порогова потужшеть: телекомушкац!йш системи: терагерцовий д!апазоп
DOI: 10.20535/RADAP.2020.80.63-72
1 Стан та перспективи освоения терагерцового д1апазону для бездротового зв'язку
Стр1мке зростання вимог до шдвищення швид-косп передач! даних та 1х обсягу у кабелышх 1 боздротових комушкащях спосторЬаеться вже про-тягом останшх десятилиь [1. 2]. Така тонденщя обумовлюеться перш за все збшыненням кшько-ста користувач1в мереж з одночасшга шдвшценням 1х вимог до послуг. яш надаються провайдерами тслекомушкацшного контенту (даш надвисоксм чь ткость завантажоння великого обсягу шформащ! у найкоротнп термпш. надшвидкий обмш даними мЬк окремими користувачами та трупами користу-вач1в. швидке вщновлоння мережевнх шдключень у районах стихпшого лиха. тощо). За прогнозами ана-.штнк1в таке зростання триватиме протягом насту-пного досятилитя [3 6]. Високошвидшсш з'бднання на основ1 технолог!! "волокно до будинку" вже широко застосовуються. однак вони не здатш задо-волышти уам вимогам. що висуваються користувачами. через велику кшыисть обмежень. до яких. зокрема. ввдносяться: ускладнене геограерчне роз-
ташування телекомушкацш. неузгоджешеть стра-тегш иостачалышшв послуг. руйнування у випад-ку природних (неприродних) катастроф. У цьому сонй бездротов1 моролй у сполучонш 1з волоконно-оптичним зв'язком стають ключовим бущвелышм блоком для розгортання наступного поколшня телекомушкацшних мереж, здатних надавати послуги в будь-якому мкщ та в будь-який час [7.8]. 3 тохшчнем точки зору. волоконно-оптичш ЛПИ1 з великою ш-формащйною емшетю. що поеднаш 1з бездротовим зв'язком. який вщлзняеться простотою установки та мошною вартштю. можуть бути сииоргетичио об'еднаш з мотою задоволення зазначоних вимог взагат та роатзащ! мобшьного зв'язку бшыно1 про-пускнсм спроможноста зокрема [9.10].
За цих умов стае актуальною проблема узго-дження швндкостей оптичних та боздротових мереж доступу. Тому для боздротових систем перо-дач! даиих необхщно значне збшынення пропускнсм спроможноста для забезпечення швидкосп передач! даних бшыне. шж 100Гбгг/с. яку вжо типово за-безпочують волоконно-оптичш комушкагщ. зокрема з використаииям ефокту комбшацшпого розаяння (КР) свила в одномодових волокнах. Щлм того.
швидкоста передач! даних понад 100Гбгг/с (навиь до МТби/с) забезпечуються зараз завдяки засто-сувашио ОПТИЧ1ШХ шдсилювач1в на ефекта вимуше-ного комбшащйного розйяння (ВКР).
На ввдмшу в1д волоконно-оптичних комушкацш у сфер1 бездротового зв'язку звичайш смуги частот до 60 ГГц майже повшстю заповнеш [11.12]. Тому багато зусиль зараз зосереджено на освояии смут на вищих частотах, зокрема в мшметровому д1апазош та у майже невивченому терагерцовому д1апазош [13'17].
Дотепер значна частина терагерцового д1апазо-ну електромагштного спектра залишасться неосво-ягою через таш суттбта проблеми [17 20]:
- надвелике згасання сигнал1в цього д1апазону у земшй атмосфер!:
- ввдсутшсть д1евих схемотехшчних ршмнь та апаратно1 реал1защ1 (у промислових масштабах) джерел 1 приймач1в сигнал1в терагерцо-вого д1апазону.
1.1 Особливост! розповсюдження си-гнал!в терагерцового д!апазону
3 використанням терагерцового д1апазону поста-ють значш обмеження на умови функщонування су-часних телекомушкацшних систем, оскшьки втрати в атмосфер! збшынуються пропорцпшо квадрату значения частоти-ноая. Тому передача сигналу терагерцового д1апазону в атмосфер! можлива тальки на невелик! вщсташ (до 100 м) 1 тшьки у певних вшнах (смутах) прозороста. У роботах [19. 20] опу-бл1коваш результати дослщжень особливостей розповсюдження 1 згасання сигнал1в у д1апазош ОД ТГц ... 1.0 ТГц.
Показано, що передача сигналу зазначеного дь апазону у вшьному простор! можлива д1йсно на невелик! ввдсташ 1 тшьки у трьох вшнах (смутах) прозороста 1з загальною смутою частот 28 ГГц. а саме:
- смута 1: 0,44 ... 0,52 ТГц (/центр = 0,48 ТГц);
- смута 2: 0,56 ... 0,72 ТГц (/центр= 0,64 ТГц);
- смута 3: 0,82 ... 0,86 ТГц (/центр = 0,84 ТГц),
в яких згасання сигнала становить 125дБ ... 140 дБ. Отже, таш значения втрат сигналу слщ враховувати при формуванш техшчних вимог до потужноста передавача та енергетичного потенщалу лпш зв'язку.
Залежшсть питомого згасання сигнала терагерцового д1апазону вщ частоти [18] показано на рис. 1, на якому також зазначеш 3 смути прозороста, 1 саме вони зараз складають предмет найбшын актуаль-них дослвджень [19].
Частота (ТГц)
Рис. 1. Залежшсть згасання сигналу терагерцового д1апазону ввд частоти
1.2 Анал1з схемотехшчно!" реал1защ*1 джерел випромшювання терагерцового д!апазону
Нов1 фотонш системи [18 20] дозволяють вирь шувати проблеми застосування терагерцового дь апазону для бездротового зв'язку шляхом 1х по-еднання 1з потенщалом оптико-волоконних технологи!. Саме це дозволяе принципово уникнути головней проблеми надзвичайно великих втрат при розповсюдженш сигнал1в в атмосфер! та перевести зв'язок у терагерцовому д1апазош у практичну площину для задоволення вимог усе бшынсм пропу-скно1 здатноста сучасних систем зв'язку. Водночас, одним з головних та не вщлшених натепер завдань терагерцових технолоий с розробка 1 реал1защя ефективного джерела випромпиовання.
У телекомушкащйних системах терагерцового д1апазону, яш описаш в л1тератур1 (див. зокрема [18]), у тракта формування та передавання сигнал1в застосовуються два незалежних (як правило нашв-провщникових) лазери. Накачка одного з цих ла-зер1в модулюсться шформацшними сигналами (ш-формащйна складова), використовуючи амшптудну модулящю. 1нший лазер з1 змщеною частотою ге-неращ! використовусться в якоста гетеродина. За допомогою змшувача, який видшяс р1зницеву частоту обох лазер1в, формусться терагерцова несуча частота, яка модульована корисним сигналом. Саме цей сигнал у терагерцовому д1апазош буде вико-ристаний для бездротово! передач! до пристрою користувача шляхом випромпиовання у вшьному простор!.
Основним недол1ком елементав тако! системи с нскогсрентшсть сигнал1в у випадку двох незалежних лазер1в, що призводить до появи у зм1шувач1
значних фазових шум1в. Цей додатковий шум. що заважае прийому корисного сигналу, можс набува-ти иринципового значения, особливо теля великих втрат в атмосфер!.
Вже досить тривалий час волоконш лазери, яш використовують ефект вимушеного комбшацшного розсповашш (ВКР) знаходять широко застосування в якоста джорел накачки ВКР та орбквих шдсилю-вач1в [21]. ВКР волоконш джорела, яш випромпио-ють на кшькох довжинах хвиль, були запропоноваш для розширення спектра шдсилоння ВКР волокон-них шдсилювач1в та покращоиия 1х шумових характеристик [22]. Як правило, в таких пристроях в якоста активного серодовища використовусться спощатзовано волокно, а генеращя на декшькох довжинах хвиль досягасться встановлонням вщпо-ввдного числа пар волоконних бре^йвських краток (ВБГ), яш утворюють розонатори волоконного лазера. У нашш робота двохвильовий (2А) ВКР лазер запропоновано використати для гонеращ1 торагор-цового вииромпповання.
Науковим завданням дано! роботи с доведения можливоста створоння двохвильового ВКР лазера для джерела терагерцово! несучо! частоти, два розонатори якого побудоваш 1з використанням ВБГ (вхвдних 1 вихвдних) за р1зних значень коефщентав ввдбиття цих ВБГ.
2 Об^рунтування можливо-еш реал1зацп двохвильового ВКР лазера
В дашй робота запропоновано ново джорело вииромпповання тракту формуваиия 1 передавання сигнал1в тслекомушкацшно1 систоми терагорцового д1апазону, в якому два окремих лазори замшеш на один 2А волоконний лазер. У такому лазер1 в якоста активного серодовища може використовуватись будь-який тип волокна, а генорашя отримуеться за рахунок ефекту ВКР свила [ ]. Використання 2 А ВКР лазера дас змогу позбутися нокогерентноста сигнал1в лазер1в (генорашя отримусться вщ сшль-ного джорела лазерно! накачки), змоншити р1вень фазових шум1в 1 иокращити яшеть сигналу, що передаться до пристрою користувача.
Кр1м того, у робота проведений пор1внялышй анал1з 1 об1"рунтоваш пероваги КР волокна, ле-гованого 20% Се02 у серцевиш, у пор1внянш з1 звичайним "чистим" кварцовим волокном БЮ2.
Основою вибору 2А ВКР лазера е тип волокна, яке використовуеться в якоста активного серодовища. Само властивоста цього серодовища й визна-чають парамотри такого лазера. У роботах [24 26] детально розглянута та дослщжеш кнуюч1 типи волокон, яш використовуються в 2А ВКР лазерах.
2.1 Виб1р активного волокна для ВКР лазера
У робой [27] описаний ВКР лазер з робочою довжиною хвшп 940 нм. Для цього лазера в якоста активного серодовища розглядалося лише звичайне
2
якого зд1йснюеться за допомогою лазерного доо-
2
загальноирийнятим для позначення волокон з вщ-носно малими концонтращями (не бшыне, шж 3% 2
сорцевини. Для такого типу волокна максимально значения коефщента ВКР шдсилоння складае двлпах=0,4 (Вт™)-1 [ ].
2
серцевиш, виьйряне значения днтах щонайменше на порядок иоревищус коефщент ВКР шдсилен-
2
Профш ВКР шдсилоння волокон зазначоних тишв зображено на рис. 2.
и н Я
0,6
0,5
0,4 и
0,3
0,2
0,1
200
400
600
800 КР зсув, см-1
1000
Рис. 2. ПрофЬп ВКР шдсилоння: 1 КР волокна, 2
2
2
раз1в
На рис. 2 пунктирною лпияо позначона крива, яшй вщповщае збшынений у 10 раз1в профшь ВКР
2
цьому ж рисунку суцшыгою лпияо позначона крива, яка вщповщае профшю ВКР шдсилоння КР
2
Л1ва шкала (рис. 2) вщноситься до профЫв ВКР
2
2
шкала (рис. 2) вщповщае збшыненому в 10 раз1в профшю ВКР шдсилоння "чистого" кварцового во-2
6
5
4
3
2
0
0
Анал1з профЫв ВКР шдсилоння показуе, що КР волокно, леговане 20% Се02 у еерцевиш, мае 9птах=6,38 (Вт-км )-1, а у "чистому" кварцовому волокш БЮ2 Здта^^М (Вт-км)-1. Таким чином, використання КР волокна, легованого 20% Се02 у еерцевиш, в якосп активного середовшца для створення 2А ВКР лазера е бшып доцшьним. Кр1м того, частотна залежшсть профшю ВКР шдсилоння
2
суттево меншу нор1вном1ршсть в облает головного максимуму.
Збшыпення дятах майже у 16 раз1в у КР воло-2
2
дозволяе суттево змоншити потужшеть накачки.
2.2 Схемотехшчна реал!защя двохви-льового ВКР лазера
За умови забезиечення иотужност випромпио-вання, яка перевищуе порш генеращ! [23], в якост джерела накачки у 2А ВКР лазер1 можливо викори-стовувати як нашвпров1дников1 ЛД, так 1 будь-який шший лазер.
Запропонована схема ВКР лазера зображена на рис. 3. Вхщна 1 вихадна бргаТ1всыи кратки, яш позначено ВБГ'л1, формують область иершого резонатора. Вщиовщно, вхщна 1 вихадна бргаТ1всыи кратки, яи позначено ВБГа2, формують область другого резонатора. Перюди кожнем з пар ВБГ, що використовуються в якост дзеркал з власни-ми коефщентами вщбиття Д1 та В.2, вщповщають довжинам хвиль А^ А2 вщиовщно. Кожна пара ВБГ. бозпосородньо иаиесеиа на активне волокно, фактично формуе лазерний резонатор. Монсмптне виконання ВБГ суттево покращуе яшеть лазорних розонатор1в 1 стабшыисть 1х характеристик.
Я, = 95% ВБГц ВБГ 12
**
Накачка ЛД Лр=1450 нм
Хг Х
КР волокно Ь = 0,1-10 км
Я2 = 20-80%
ВБГЛ2 ВБГ11
Н)кЖ--[>
Х1
ступш оломонти тракту формування \ иередавання сигнал1в телекомушкацшнея системи терагерцового д1аиазону. Довжина КР волокна обрана 0,1км ... 10км, виходячи з необхщност забезиечення можли-вост генеращ! сигнала стоксово! хвшп на виход1 2 А ВКР лазера.
Для схемотехшчно! реал1защ1 2А ВКР лазера обрано таш иочатков1 даш:
- активне сородовшцо КР волокно, леговане
2
- лазерний дюд накачки генеруе на частот, яка вщиовщае Хр = 1450 им;
- потужшеть накачки не бшыно 100 мВт:
- довжина КР волокна обраного типу складае 0.1км ... 10км.
3 Моделювання двохвильового ВКР лазера
3.1 Режим повно1 прозорост! в активному волоки!
Порогова потужшеть помпування або функщя ПОВ1Ю1 ирозорост, що забезпечуе режим повиси про-зорост КР волокна для ВКР лазера, впзначаетьея за такою формулою [28]:
Р^Н
(1)
Рис. 3. Схема двохчастотного ВКР лазера
Виб1р в якост активного еередовища КР воло-2
тим, що цей тип волокна мае найбшышш коофщент шдсилення (дптах = 6,38 (Вт-км)-1, див. рис. 2). Лазерний дюд накачки мае параметры Хр = 1450 нм 1 Рр = 100 мВт для того, щоб забезпечувати вщпо-вщно змщення частотн (генеращя повинна вщбу-ватися на частот Ао = 1550 им), а потужшеть на виходо була б достатньою для подач1 сигнала на на-
де а8 - коефшдент втрат на стоксов1 й частот, дя(ш) профшь ВКР шдсилоння, який можна отримати в анал личному виглядо у [26].
Оцшити параметри шдсилоння у КР волокш за умов Рр > РрН па задаиих частотах стоксового зеуву та Хр = 1450 им можна, використовуючи фун-кщю повно1 ирозорост Р*н (ш), яка визначаеться за доиомогою формули (1).
На рис. 4 показано профшь надпорогового шд-сплоння у КР волокш обраного типу або функщя иовно! прозорост цього волокна [23]. Як видно з
2
ш, перотворюеться в активно соредовнщо у всьому доапазош довжпн хвиль вщ 1,51 мкм до 1,59 мкм за умови иотужност накачки Рр = 100 Мвт, що вщповщае зеуву частоти 10 ТГц.
Тому стоксов1 частоти навколо Ая = 1550 нм будуть забезпечувати роботу у 1-3 смугах впщезга-даних торагерцовнх телекомушкацшних вжон. Щнм того, вщповщна внхщна потужшеть повинна бути достатньою для сигнатв, яш надходять на подаль-нп оломонти шляху формування '1 передач! сигнатв терагерцовся телекомушкацшнея снетемн.
а
а
Рр > 100 мВт
Рр (1), дБм
Рр (1), мВт -,200
КР волокно, леговане 20% 0е02 у серцевиш
100
10 1,51
1,53 1,55 1,57 1,59 Довжина хвид1, мкм
3.3 Спектр ВКР шдсилення та мшь мум втрат в активному волокш лазера
Профшь ВКР шдсилення #д(А) та спектр втрат а(А) кварцового ВКР волокна в д1апазош в1д 1,25мкм до 1,7мкм показано на рис. 5 [29]. Для уох стандартних толокомушкацшних кварцових волокон [25] максимум стоксового змщення в споктр1 ВКР шдсилення складае близько 13 ТГц. Це дозволяв створджувати, що максимум профшю ВКР шдсилення для ВКР волокна розмпцений на Ая = 1,55 мкм у випадку, коли довжина хвшп накачки дор1внюе Ар = 1,45 мкм. Таким чином, коефщенти втрат ар 1 а8 для иодальшого розрахунку параме-тр1в резонатора можуть бути визначош безпосере-дньо з рис. 5.
Рис. 4. Функщя ПОВ1Ю1 прозоросп у КР волокш, що зображена сущлыгою кривою, а вортикалыш-ми стршками позначено чисте шдсилення для Хр = 1450 нм та Рр = 100 мВт. Зсув ДА м1ж довжина-ми хвиль А^ та А2 вибрано симетричним вщносно Ао = 1, 55 мкм
Гоноращя сигнала на будь-якШ задашй довжиш хвшп \г можлива, якщо значения иотужностей накачки вшцо криво!, зображено! на рис. 4. Значения ж иотужностей накачки нижчо ща криво!, в1дпов1д-ають режиму згасання стоксових хвиль. У робот [28] розраховаш значения иорогових иотужностей накачки 2А ВКР лазера \ коефщенти шдсилення для смуг прозороста з централышми частотами в 0,48 ТГц, 0,6 ТГц 1 0,84 ТГц.
3.2 Анал1з резонатора двохвильового ВКР лазера
Анатз проводився у наступшй послщовностк
1. Опттпзащя спектра ВКР шдсилення активного волокна вадносно мппмуму коофщента втрат:
Оцшка порогу геиеращ! на стоксовШ частот! для р1зних значень коефщента вщбиття Д2 вихщно! бргаТ1всько1 кратки:
111. Розрахунок довжини резонатора та порогових иотужностей генераиД в 2А ВКР лазер1 для трьох реалышх терагерцових д1апазошв.
а, дБ/км
2,0
1,5
1,0
0,5
gR, (Втхкм)~
6 5 4 3 2 1
1,3 1,4 1,5 1,6
Довжина хвил^ мкм
Рис. 5. Профшь ВКР шдсилення #д(А) КР волокна, 2
розподш коефщента втрат а(А) в д1апазош довжин хвиль ввд 1,25 мкм до 1,7 мкм
На рис. 5 характерш точки вадхйчош стршками, а 1х числов1 значения вщраховуються на вертикаль-шй та горизонталыпй шкал, вщповщно. Особливо необхщно вщзначити, що для довжини накачки 2 А ВКР лазера Ар = 1,45 мкм коефшдент втрат ар до-р1внюе 0,77 дБ/км, а у той же час на стоксовШ довжиш хвшп Ая = 1,55 мкм, як бачимо, коефщь ент втрат ав набувае свого мшмального значения, яке дор1внюе 0,55дБ/км. Саме тому, зидно з (1), порогова потужшсть помпування, яка перетворюс волокно в активно лазорно середовище, також буде мпимальною.
0
3.4 Пор1г генеращ!" на стоксовш довжини хвил!
Пор1г генерацп на стоксов1й частот! потужносп накачки визначаеться як [27]:
Р/
т
2аяЬ — 1п(Д1Д2) 20дЬе//
(2)
де Ь - довжина волокна м1ж двома бребйвськими братками, Д^ Д2 - коефщенти вщбиття вхщно! та вшидно! бребйвських краток вщповщно, Ье// ефективна довжина взаемодп хвиль накачки та стоксово! хвиль що визначаеться як [28]:
Д
е//
1 — ехр(— ар Ь)
(3)
Рл, № 0,20
0,15 -
0,10 -
0,05 -
Я1 = 0,95 (для уах кривих)
К2 = 0,2 К2 = 0,4
0 1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 Ь, кт
де ар - коефщент иоглинання (втрат) на довжиш хвил1 накачки.
Залежносп порогово! потужносп накачки в1д довжини волокна Ь мЬк двома бребйвськими братками (теоретично вона може варповатися вщ 0 км до 10 км) для сталого значения коофщента вщбиття вхщно! бребйвсько! братки Д1 = 0,95 та чотирьох значень коефщента вщбиття вихщно! бребйвсько! братки Д2 (0,2; 0,4; 0,6; 0,8) наведено на рис. .
Очовидним висновком з рис. 6 с те, що навиь за значень довжини волокна Ь до 1 км можлива гене-ращя сигнала стоксово! хвил1 на виходь Очевидним також с той факт, що моннп воличини порогово! потужносп стоксово! хвил1 можуть бути досягнут шляхом збшынення значень коофщента вщбиття вшидно! бребйвсько! братки Д2.
Наириклад, за довжини волокна Ь = 1, 5 км та значень коофщента вщбиття вихщно! бребйвсько! братки Д2 =0, 2 1 Д2 =0, 8 иорогова потужшсть стоксово!" хвил1 буде дор1вшовати 110 мВт 1 25 мВт вщповщно. За значень довжини волокна Ь в1д 2 км 1 бшыне иорогова потужшсть майже не змпиоеться 1 визначаеться в межах вщ 40 мВт до 70 мВт для уах значень Д2.
Порогова потужшсть, виходячи з рис. 6, р1зко збшынуеться для довжини волокна мошне одного кшометра. У вииадку необхщносп використання менших довжин волокнами повинш забозпечувати бшын висош потужносп накачки '1 навиаки. Оптимальна довжина визиачаеться як (1,5 ± 0,1) км за допомогою використаиия критер1я мпималыго! порогово! потужноста стоксово! хвил1 для ВКР волокна.
Рис. 6. Порогова потужшсть стоксово! хвил1 як функщя довжиии волокна мЬк двома бребйвськи-ми братками за р1зних значень коефщента вщбиття вихщно! бребйвсько! братки
3.5 Параметри лазерного резонатора
Нами визначено параметри вах трьох пар ВБГ у 2А ВКР лазерах, кожний з якпх призначений для роботп у вщповщшй смуз1 прозоросп терагерцового д1апазону, а саме з централышми частотами, яш складають 0,48 ТГц, 0,64 ТГц та 0,84 ТГц. Щ параметри зведено до табл. 1. Зидно з анал1зом у п.3.4 активним середовищем лазер1в слщ використовува-
2
Це с оптималышм вибором з точки зору забезпече-иия мпималышх зиачеиь як порогово! иотужносп помпування Р*н зидно з (2) (див. також рис. 3), так 1 порогу генерацп лазерних резонатор1в зидно з (3).
Саме завдяки найвищим значениям ВКР шдсилення, зпдно з даними табл. 1, уй параметри трьох 2А ВКР лазер1в для кожного заданого д1апазону можна реал1зувати за значень иотужносп накачки
не бшьше 100 мВт 1з застосуванням довжини во-
±
що значна лпийна довжина волокна не заперечус можливкть його досить компактного укладання у реальному пристро!. Д1йсно для стандартного зовш-шнього д1аметру волокна у 125 мкм загалышй об'см кварцового скла (без захисних иокритпв) складас всього 12,3 см3 на кожний кшометр довжини, а вщ-иовщна маса скла не перевищуе то < 27 г.
Отже, наше моделювання показус можливкть створення високоефективних 2 А ВКР лазер1в у суцшыго-волоконному виконанш, яке забезиечус ви-
шдсилошш одшшщ довжшш активного волокна ьож ВВГ 1 та ВВГ2 при Рр - 100 мВт. 2вважаеться, що Д1 = 95%
а
у
Табл. 1 Параметры лазерных резонатор1в та коефшденив шдсилення двохвильового ВКР лазера для трьох смуг прозорост1 у терагерцовому доапазош
Смуга 1 (0,48 ТГц) Смуга 2 (0,64 ТГц) Смуга 3 (0,84 ТГц)
№ Параметр 1-й рез-р 2-й рез-р 1-й рез-р 2-й рез-р 1-й рез-р 2-й рез-р
1. Довжина хвшп As, мкм 1,5483 1,5517 1,5476 1,5524 1,5466 1,5534
2. nopir шдсилення Pph, мВт 18,2 18,8 18,1 18,9 18,1 19,2
3. Коеф. шдсилення1 Gд, дБ/км 2,25 2,16 2,26 2,14 2,26 2,11
Сд, км-1 0,518 0,498 0,520 0,493 0.521 0.485
4. Довжина L, км 1,0 1,0 0,5 0,5 1,5 1,5
5. Коеф. вадбиття2 Д2, % 60 60 80 80 20 20
6. nopir генеращ! Pth, мВт 72 72 75 75 123 123
соку надшшсть оптнчннх компоненте 1з цшком прийнятнпм для практики масо-габаритними характеристиками пристрою.
Висновки та напрями подалыних дослщжень
Результати моделюваипя волокоипих брег"г1в-ських краток в Се02 активному ВКР волокш однозначно вказують на можлившть реал1защ1 двохвильового ВКР лазера для використання у якост джерела випромшювання в терагерцових телекомушкацшних системах. В робот запропонована уш-версальна схема конструкщ! 2 А ВКР лазера для використання в якост активного середовигца будь-яких тишв волокон у терагерцовому д1аиазош ввд О до ЮТгц та вибрано оптимальний тип активного волокна. Показано, що иараметри 2А ВКР лазера, створеного вщповщно до запропоновано! схе-ми, будуть залежати тщьки ввд параметр1в лазер-них резонатор1в, побудованих на основ1 волоконних брег"г1вських краток. Кр1м того, регулювання порогу генеращ! та вихадно! иотужност лазер1в можна здшснювати змшою коефщентв ввдбиття вшидних брейвських краток. Параметри лазерних резонато-р1в за результатами моделювання представлен! для трьох актуальних смуг у низькочастотнш облает терагерцового д1аиазону, що мають найменнп пока-зники згасапия.
Детальпий анал1з переваг 2 А ВКР лазера, по-будовапого на КР волокш, легованому 20% Се02 у серцевиш, представлено у иор1внянш з1 звичай-
2
тат доведено, що порогову иотужшеть накачки можна зменшити як мппмум у 400 раз1в, а саме
2
2
ким чином показано можлившть зпачиого зменше-ипя масо-габарптнпх характеристик 2 А ВКР лазера шляхом оптим1защ1 його конструкщ!. Представле-ш результати дають можлившть кшьшено! ощики перспектив вдосконалепия запропонованих лазер1в, зокрема зменшення довжини КР волокна до величин Ь <0,5 км.
IlepejiiK nocHjiaHb
1 Hesler J., Prasankumar R., and Tignon J. Advances in terahertz solid-state physics and devices. J. App. Phys., vol.126, no.11, p.110401, (2019). https://doi.Org/10.1063/l.5122975
2 Shi Jia, Xianbin Yu, Hao Hu, Jinlong Yu, Pengyu Guan, Francesco Da Ros, Michael Galili, Toshio Morioka, and Leif K. Oxenlowe. THz photonic wireless links with 16-QAM modulation in the 375-450 GHz band. OPTICS EXPRESS, Vol. 24, No. 21, 17 Oct 2016, 23777- 23783.
3 M. Tonouchi, "Cutting-edge terahertz technology," Nat. Photonics 1(2), 97-105 (2007).
4 H. J. Song and T. Nagatsuma, "Present and future of terahertz communications," IEEE Trans. THz Sci. Technol. 1(1), 256-263 (2011).
5 S. Cherry, "Edholm's law of bandwidth," IEEE Spectr. 41(7), 58-60 (2004).
6 Y. Choi, J. W. Choi, and J. M. Cioffi, "A geometric-statistic channel model for THz indoor communications," J. Infrared Milli. Terahz Waves 34(7-8), 456-467 (2013).
7 A. Kanno, T. Kuri, I. Hosako, T. Kawanishi, Y. Yoshida, Y. Yasumura, and K. Kitayama, "Optical and millimeter-wave radio seamless MIMO transmission based on a radio over fiber technology," Opt. Express 20(28), 29395-29403 (2012).
8 A. J. Seeds, H. Shams, M. J. Fice, and C. C. Renaud, "Terahertz photonics for wireless communications," J. Lightwave Technol. 33(3), 579-587 (2015).
9 M. J. Fice, E. Rouvalis, F. van Dijk, A. Accard, F. Lelarge, C. C. Renaud, G. Carpintero, and A. J. Seeds, "146GHz millimeter-wave radio-over-fiber photonic wireless transmission system," Opt. Express 20(2), 1769-1774 (2012).
10 J. Yu, G. K. Chang, Z. Jia, A. Chowdhury, M. F. Huang, H. C. Chien, Y. T. Hsueh, W. Jian, C. Liu, and Z.Dong, "Cost-effective optical millimeter technologies and field demonstrations for very high throughput wireless-over-fiber access systems," J. Lightwave Technol. 28(16), 2376-2397 (2010).
11 T. Shao, H. Shams, P. M. Anandarajah, M. J. Fice, C. C. Renaud, F. V. Dijk, A. J. Seeds, and L. P. Barry, "Phase noise investigation of multicarrier sub-THz wireless transmission system based on an injection-locked gainswitched laser," IEEE Trans. THz Sci. Technol. 5(4), 590-597 (2015).
12 G. Ducournau. 1'. Szriftgiser. A. Bock, D. Bacquet. F. Pavanello. E. Peytavit. M. Zaknouno, T. Akalin, and .1.-F. Lampin, "Ultrawido-bandwidth single-channel 0.4-THz wireless link combining broadband quasi-optic photomixer and coherent detection," IEEE Trans. THz Sci. Technol. 4(3). 328 337 (2014).
13 T. Ishibashi. Y. Muramoto. T. Yoshimatsu. and H. Ito. "Unitraveling-carrier photodiodes for terahertz applications." IEEE .1. Select. Top. Quantum Electron. 20(6). 79 88 (2014).
14 A. Dyson. 1. D. Henning, and M. .1. Adams. "Comparison of type 1 and type 11 heterojunction unitravelling carrier photodiodes for terahertz generation." IEEE .1. Select. Top. Quantum Electron. 14(2). 277 283 (2008).
15 X. Yu. Y. Chen. M. Galili. T. Morioka. P. U. .lepsen. and L. K. Oxenl0we, "The prospects of ultra-broadband THz wireless communications." in Proceedings of IEEE 16th International Conference on Transparent Optical Networks (1CTON. 2014). paper Th.A3.3.
16 .1. Federici and L. Moeller. "Review of terahertz and subterahertz wireless communications." .1. Appl. Phys. 107(11). 111101 (2010).
17 H. Shams. M. .1. Fice. K. Balakier. C. C. Renaud. F. van Dijk. and A. .1. Seeds. "Photonic generation for multichannel THz wireless communication." Opt. Express 22(19). 23465 23472 (2014).
18 H Shams and A Seeds "Photonics, liber and THz wireless communication." Optics and Photonics News 28 (3). 24-31. 2017.
19 Fiber Bragg Grating Cavities in Two-Wave Raman Laser for Terahertz Telecommunication Application / M.l. Reznikov. G.S. Felinskyi. A.V. Korchak. and I.V. Tarashchuk // Conference proceedings of the 2019 IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO). Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute. April 16-18. 2019. Kyiv. Ukraine.
20 Y. Khlaponin. G Zhyrov. "Analysis and Monitoring of Telecommunication Networks Based on Intelligent Technologies" CEUR Workshop Proceedings. Selected Papers of the XVI International Scientilic and Practical Conference "Information Technologies and Security"(ITS 2016). Vol-1813 urn:nbn:de:0074-1813-0 pp. 32 39.
21 B.l.FpuropyK. LB.Cepacia. F.C.Oe.;iiiicbKiiii. ll.A.KopoTKOB. BojiOKOimi BKP .;ia:sepu ra lii^cujiioiia'ii oiiTU'iiioi'o liUiipoMiiiioiiaiiiiH. Po:s,a. 2 y «B:saeMO,aiH 4>i:su>iiiux liojiiii 3 iiaiiocipyKTypoiiaiiuMu Ma'repia;ia-mu». MoiiorpacJ^ia / B.l.FpuropyK. A.B.3aropo,miifi. A.B.liiaii'iyK ia in. K:Kapaiie.;ia. 2018. 382c.. c. 62 128. ISBN 978 966 2229 77 6. 67c
22 M.D.Mermelstein. C.Horn. S.Radic.C.Headley. Six wavelength Raman liber laser for C- and L-band Raman amplilication and dynamic gain llattening. Electron. Lett. 38. 636-638 (2002) https://doi.org/10.1049/elt20020433.
23 1.Tarashchuk. G. Felinskyi . M. Reznikov. Dual-frequency liber Raman laser for terahertz and radio-over-liber applications. Proc. XV111 Int. young scientists conference on Applied physics. May. 22-26. 2018. Kyiv. Ukraine. P. 122-123.
24 .1. Bromage. K. Rottwitt, and M. E. Lines. "A method to predict the Raman gain spectra of germanosilicate libers with arbitrary index proliles." IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14. pp. 24 26. .Ian. 2002.
25 E.M. Dianov. Advances in Raman libers. .1. Lightwave Techn.. Vol. 20. N 8. pp.1457-1462. 2002.
26 l.B.Cepaera,, B.l.FpuropyK. F.C.Oe.;iiiicbKiiii. CueKipo-CKOiii'iiii ocofjjiuiiocri iipocjMjiiu BKP liiacujieuiiH is 04110-Mo^oiiux BOjioKiiax 11a ociioiii Kisapuoiioi'o cK.;ia // YOXi. t. 63. № 8. c. 681-699. 2018.
27 Babin. S. A.. Zlobina. E. A. and Kablukov. S. 1. Multimode liber Raman lasers directly pumped by laser diodes. .1. Sei. Top. Quantum Electron."24. 1400310 (2018).
28 l.Tarashchuk. G. Felinskyi . M. Reznikov Dual-frequency liber Raman laser for generating radiation of the terahertz band. Vlll International Conference on Optoelectronic Information Technologies "PHOTONICS-ODS 2018" Ukraine. Vinnytsia. VNTU October 2-4. 2018. P.211-212.
29 I.V. Serdeha. S.V. Honenko. G.S. Felinskyi. M.L Reznikov. "Pumping wavelength dependence of Raman lasing threshold in highly Ge-doped silica liber." Proc. XIV Int. Sci. Conf. "Electronics and Applied Physics". October. 23-26. 2018. Kyiv. Ukraine, p. 189.
References
[1] Hesler .1.. Prasankumar R. and Tignon .1. (2019) Advances in terahertz solid-state physics and devices. .Journal of Applied Physics, Vol. 126. Iss. 11. pp. 110401. DOl: 10.1063/1.5122975
[2] Jia S.. Yu X.. Hu H.. Yu J.. Guan P.. Ros F.D.. Galili M., Morioka T. and Oxenl0we L.K. (2016) THz photonic wireless links with 16-QAM modulation in the 375-450 GHz band. Optics Express, Vol. 24. Iss. 21. pp. 23777. DOl: 10.1364/oe.24.023777
[3] Tonouchi M. (2007) Cutting-edge terahertz technology. Nature Photonics., Vol. 1. Iss. 2. pp. 97-105. DOl: 10.1038/nphoton.2007.3
[4] Song H. and Nagatsuma T. (2011) Present and Future of Terahertz Communications. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 1. Iss. 1. pp. 256263. DOl: 10.1109/tthz.2011.2159552
[5] Cherry S. (2004) Edholm:s law of bandwidth. IEEE" Spectrum, Vol. 41. Iss. 7. pp. 58-60. DOl: 10.1109/mspec.2004.1309810
[6] Choi Y.. Choi J. and Cioffi J.M. (2013) A Geometric-Statistic Channel Model for THz Indoor Communications. ■Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Vol. 34. Iss. 7-8. pp. 456-467. DOl: 10.1007/sl0762-013-9975-5
[7] Kanno A.. Kuri T.. Hosako L. Kawanishi T.. Yoshida Y.. Yasumura Y. and Kitayama K. (2012) Optical and millimeter-wave radio seamless M1MO transmission based oil a radio over liber technology. Optics Express, Vol. 20. Iss. 28. pp. 29395. DOl: 10.1364/oe.20.029395
[8] Seeds A.J.. Shams H.. Fice M.J. and Renaud C.C. (2015) TeraHertz Photonics for Wireless Communications. .Journal of Lightwave Technology, Vol. 33. Iss. 3. pp. 579-587. DOl: 10.1109/jlt.2014.2355137
[9] Fice M.J.. Rouvalis E.. Dijk F.v.. Accard A.. Lelarge F.. Renaud C.C.. Carpintero G. and Seeds A.J. (2012) 146-GHz millimeter-wave radio-over-liber photonic wireless transmission system. Optics Express, Vol. 20. Iss. 2. pp. 1769. DOl: 10.1364/oe.20.001769
[10] Yu J.. Chang G.. Jia Z.. Chowdhury A.. Huang M.. Chien H.. Hsueh Y.. Jian W.. Liu C. and Dong Z. (2010) Cost-Elfective Optical Millimeter Technologies and Field Demonstrations for Very High Throughput Wireless-Over-Fiber Access Systems. Journal of Lightwave Technology, Vol. 28. lss:. 16. pp. 2376-2397. DOl: 10.1109/jit.2010.2041748
[11] Shao T., Shams H., Anandarajah P.M., Fice M..I., Renaud ('.(•.. Dijk F.v., Seeds A..I. and Barry L.P. (2015) l'hase Noise Investigation of Multicarrier Sub-THz Wireless Transmission System Based on an Injection-Locked Gain-Switched Laser. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 5. Iss. 4. pp. 590-597. DOl: 10.1109/tthz."2015."2418996
[12] Ducournau G.. Szriftgiser P.. Beck A.. Bacquet 1)., Pavanello F.. Peytavit E., Zaknoune M., Akalin T. and Lampin .1. ("2014) Ultrawide-Bandwidth Single-Channel 0.4-THz Wireless Link Combining Broadband Quasi-Optic Photomixer and Coherent Detection. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 4. Iss. 3. pp. 328-337. DOl: 10.1109/tthz.2014.2309006
[13] Ishibashi T.. Muramoto Y., Yoshimatsu T. and Ito H. (2014) Unitraveling-Carrier Photodiodes for Terahertz Applications. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 20. Iss. 6. pp. 79-88. DOl: 10.1109/jstqe.2014.2336537
[14] Dyson A.. Henning l.D. and Adams M..J. (2008) Comparison of Type 1 and Type 11 Heterojunction Unitravelli-ng Carrier Photodiodes for Terahertz Generation. IEEE ■Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 14. Iss. 2. pp. 277-283. DOl: 10.1109/jstqe.2007.910107
[15] Yu X.. Chen Y.. Galili M.. Morioka T.. .lepsen P.U. and Oxenlowe L.K. (2014) The prospects of ultra-broadband THz wireless communications. 2014 16th International Conference on Transparent Optical Networks (1CTON). DOl: 10.1109/icton.2014.6876675
[16] Federici .1. and Moeller L. (2010) Review of terahertz and subterahertz wireless communications. Journal of Applied Physics, Vol. 107. Iss. 11. pp. 111101. DOl: 10.1063/1.3386413
[17] Shams H.. Fice M..J.. Balakier K.. Renaud C.C.. Dijk F.v. and Seeds A..I. (2014) Photonic generation for multichannel THz wireless communication. Optics Express, Vol. 22. Iss. 19. pp. 23465. DOl: 10.1364/oe.22.023465
[18] hams H. and Seeds A. (2017) Photonics. Fiber and THz Wireless Communication. Optics and Photonics News, Vol. 28. Iss. 3. pp. 24. DOl: 10.1364/opn.28.3.000024
[19] Tarashchuk 1. V., Felinskyi G. S.. Reznikov M. 1.. Korchak A. V. (2019) Fiber Bragg grating cavities in two-wave Raman laser for terahertz telecommunication application. in Proceedings IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO-2019), Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute. April 16-18. 2019. Kyiv, Ukraine. DOl: 10.1109/ELNAN0.2019.8783925
[20] Khlaponin Y. and Zhyrov G. (2016) Analysis and Monitoring of Telecommunication Networks Based on Intelligent Technologies. CEUR Workshop Proceedings, Selected Papers of the XVI International Scientilic and Practical Conference "Information Technologies and Security Vol-1813. pp. 32-39.
[21] Hryhoruk V. 1.. Serdeha 1. V.. Felinskyi H. S. and Korotkov P. A. (2018) Vzaiemodiia fizychnykh poliu z nanostrukturouanymy materialamy [Interaction of physical Holds with nanostructurod materials]. Kyiv. Karavela. 382 P-
[22] Mermelstein M.. Horn C.. Radie S. and Headley C. (2002) Six-wavelength Raman libre laser for C- and L-band Raman amplification and dynamic gain flattening. Electronics Letters, Vol. 38. Iss. 13. pp. 636. DOl: 10.1049/el:20020433
[23] Tarashchuk 1.. Felinskyi G.. Reznikov M. (2018) Dual-frequency liber Raman laser for terahertz and radio-over-liber applications. Proc. XVIII Int. young scientists' conference on Applied physics, May. 22-26. 2018. Kyiv. Ukraine, pp. 122-123.
[24] Bromage .1.. Rottwitt К. and Lines M. (2002) A method to predict the Raman gain spectra of germanosilicate libers with arbitrary index profiles. IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 14, Iss. 1, pp. 24-26. DOl: 10.1109/68.974149
[25] Dianov E. (2002) Advances in Raman libers. Journal of Lightwave Technology, Vol. 20, Iss. 8, pp. 1457-1462. DOl: 10.1109/jit.2002.800263
[26] Serdeha I.V., Grygoruk V.l. and Felinskyi G.S. (2018) Spectroscopic Features of Raman Gain Proliles in Single-Mode Fibers Based on Silica Glass. Ukrainian Journal of Physics, Vol. 63, Iss. 8, pp. 683. DOl: 10.15407/ujpe63.8.683
[27] Babin S.A., Zlobina E.A. and Kablukov S.l. (2018) Multimode Fiber Raman Lasers Directly Pumped by Laser Diodes. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 24, Iss. 3, pp. 1-10. DOl: 10.1109/jstqe.2017.2764072
[28] Tarashchuk 1., Felinskyi G. and Reznikov M. (2018) Dual-frequency liber Raman laser for generating radiation of the terahertz band. Vlll International Conference on Optoelectronic Information Technologies, "PHOTON1CS-ODS 2018" Ukraine, Vinnytsia, VNTU October 2-4, 2018, pp.211-212.
[29] Serdeha I.V., Honenko S.V., Felinskyi G.S. and Reznikov M.l. (2018) Pumping wavelength dependence of Raman lasing threshold in highly Go-doped silica liber. Proc. XIV Int. Sei. Conf. "Electronics and Applied Physics", October, 23-26, 2018, Kyiv, Ukraine, p. 189.
Полностью волоконный двухчасто-тный ВКР лазер для телекоммуникационных систем терагерцового диапазона
Дружинин В. А., Корчак А. В., Резников М. И., Фелинский Г. С.
С целыо усовершенствования терагерцовых технологий и повышения эффективности источников излучения для телекоммуникационных систем терагерцового диапазона предложен двухволновой (2А) волоконный лазер, в котором генерация осуществляется за счет эффекта вынужденного комбинационного рассеяния. В результате анализа имеющихся экспериментальных данных в работе установлено, что профиль усиления вынужденного комбинационного рассеяния в одпомодовых волокнах позволяет реализовать 2А лазер в полностью волоконном исполнении. Основным преимуществом предложенного терагерцового источника является существенное уменьшение фазовых шумов, которого следует ожидать за счет генерации обоих лазеров от общего источника накачки. Определены основные параметры волоконных брэгговских решеток для 2А лазерных резонаторов, которые доказывают их соответствие современным требованиям монолитной интеграции устройства в полностью волоконную конструкцию. Путем моделирования для разных типов волокна доказана возможность уменьшения пороговой мощности накачки по меньшей мере в 400 раз, что позволит существенно уменьшить весогаба-ритпые характеристики такого лазера.
Ключевые слова: вынужденное комбинационное рассеяние; волоконная брэгговская решетка; волоконный лазер; лазерный резонатор; мощность накачки; пороговая мощность; телекоммуникационные системы; тера-герцовый диапазон
All-fiber dual-frequency Raman laser for terahertz telecommunication systems
Druginin V. A., Korchak A. V., Reznikov M. I., Felinskyi G. S.
The two-wave (2A) fiber laser based on the stimulated Raman scattering is proposed in order to improve terahertz technologies realization and to increase the efficiency of radiation sources for telecommunication systems in the terahertz range. As a result of the analysis of the available
experimental data in our work it was found that the Raman gain profile in single-mode fibers makes it possible to realize a 2A laser in the fully fiber configuration. The main advantage of the proposed terahertz source is a significant reduction of the phase noises as it should be expected due to the both lasers will be pumped using a common source. The main parameters of the fiber Bragg gratings for 2A laser cavity are determined and it is shown its possibility to meet the modern requirements for the monolithic integration in fully fiber device design. The possibility of reducing the threshold pump power by at least 400 times has been proved by simulating for different types of fibers, and it will significantly lowered the weight and size characteristics of such a laser.
Key words: stimulated Raman scattering; fiber Bragg grating; fiber laser; laser cavity; pump power; threshold power; telecommunication systems; terahertz range
