esk vysok u en technick vpraze Fakultaelektrotechnick Dvouj drov optick vl kna provl knov lasery (diserta n pr ce) Praha, ervenec1999 kolitel:ing.karelnovotn,csc. kolitel-specialista:ing.ji Ka ka,csc. Ing.PavelPeterka

P edmluva kated eelektromagnetick hopolefakultyelektrotechnick VUTavlaborato i aktivn aneline rn vl knov optiky stavuradiotechnikyaelektronikyav R. Diserta n pr ceshrnujepoznatkyz skan b hemm hodoktorandsk hostudiana b hemcel hodoktorandsk hostudia.kolegovidr.pavluhonz tkovijsemvd n za CSc.aIng.KarluNovotn mu,csc.,zav estrannoupomoc,kteroumiposkytovali neocenitelnoupomocp iprogramov n numerick chmodel azamnoh podn tn R dbychnatomtom st pod kovalsv m kolitel m,ing.ji muka kovi, diskuze.d kujidr.ivanuka kovizavst cnostaochotup ip prav preforem dvouj drov chvl kenaing.vlastimilumat jcovi,csc.zap ipom nkyarady,kter mip isp lkekone n podob t topr ce. PavelPeterka,Praha, ervenec1999 1

Obsah Seznamsymbol aozna en P edmluva 32 vod Seznamilustrac 107 1P ehledsou asn hostavuv dn problematiky 1.1Sou asn stavv zkumuaaplikac dvouj drov chvl ken... 1.3Vlastnostiprvk vz cn chzeminvesklech... 1.2 en elektromagnetick chvlnvdvouj drov mvlnovodu... 27 20 14 3V sledkydisertace 2C ledisertace 3.1N vrh,v robaam en dvouj drov chvl ken... 32 3.1.2P pravatcf... 3.1.1V choz teoretick vztahypron vrhtcf... 35 34 3.2Er3+/Yb3+dopovan optick vl kno... 3.1.4Parametryzkouman chtcf... 3.1.3M en vazebn d lky... 48 39 3.3 zkop smov ltrzalo en nasaturovateln absorbciverbiemdopovan mtcf... 60 58 3.3.3Modelkruhov hovl knov holaseruvcw-re imu... 2 3.2.2Ur en parametr vl kna... 3.2.1Teoretick model... 52 49 3.3.2ModelEr3+dopovan hotcf... 3.3.1Princip innostiltru... 65

4Konkr tn z v ryprorealizacivpraxiadal rozvojv dy 3.3.4Experiment ln ov en innostiltru... 74 67 AKonstanty en arozlo en polevjednoj drov mvl kn A.1SIvl kno... BSeznampublikovan chprac A.2Vl knoslibovoln m,rota n symetrick mprolemindexulomu.. 82 79 76 Literatura 84 3

Seznamsymbol Ozna en d le it chveli inav znamnejfrekventovan j chsymbol azkratek Latinsk abeceda ap=polom rj draoptick hovl knanapreform [m],pataprolu a=polom rj draoptick hovl kna[m],konstantarozkladuelmg.pole ASE=Zes len spont nn emise(ampliedspontaneousemission) a=konstantarozkladuelmg.polevp pad symetrick ho(+) indexulomuj dranapreform [m] B=Normovan pod ln konstanta en b=polom roblastidopov n [m],konstantarozkladuelmg.pole[v/m] aantisymetrick ho(-)vidu B1;B2=Konstantyrozkladuelmg.pole[V/m] C,Cij=Vazebn koecient[m 1] Ctr=Koecientp enosuenergiemeziyterbiov miaerbiov miionty[m 3/s] CMT=Teoriev zan chvid (coupledmodetheory) cw=kontinu ln (continuous-wave)re imlaseru dp=vzd lenostosjadernapreform [m] d=vzd lenostosjader[m] jen(r;)j2=normovan intenzitaz en [m 2] ErTCF=Erbiemdopovan dvouj drov optick vl kno(erbium EDFA=Erbiemdopovan vl knov zesilova (erbiumdopedbreamplier) E=(Ex;Ey;Ez)=Vektorelektrick intenzity[v/m] EYDF=Erbiemayterbiemdopovan vl kno(erbiumandytterbium ESI=Ekvivalentn schodovit (equivalentstep-index)prolindexulomu dopedtwin-corebre) FWHM= ka(cel )na rovnipolovinymaxim ln hodnoty(full-widthat FSR=Voln spektr ln interval(freespectralrange)[hz] F=Koecientvazebn innosti dopedbre) half-maximum) 4

ge;ga=koecientyzes len aztr t[m 1] H=(Hx;Hy;Hz)=Vektormagnetick intenzity[a/m] h=planckovakonstanta[js] Km=Modikovan Besselovafunkcedruh hodruhum-t ho du Jm=Besselovafunkceprvn hodruhum-t ho du k0=vlnov vektor[m 1] j=imagin rn jednotka laser=lightamplicationbystimulatedemissionofradiation Lb=Z zn jov d lka(beatlength)[m] Lc=Vazebn d lka(couplinglength)[m] L=D lkaoptick hovl kna[m] LIDAR=Optick radar(lightdetectionandranging) LED=Luminiscen n dioda(light-emittingdiode) NA=Numerick apertura M2=Parametrkvalitysvazku,proGauss vsvazekplat M2=1 LP=Line rn polarizovan vid(linearlypolarizedmode) N(r)=Normovan indexlomu nico=indexlomui-t hoj dra ncl=indexlomupl t n=indexlomu ner t;nyb i;nyb neff=efektivn indexlomu t=celkov koncentraceiont erbiaayterbia[m 3] i=hustotapopulaceiont erbiaayterbianai-t hladin, Pin,Pout=Vstupn av stupn optick v kon Nij=P ekryvov faktor P=Optick v kon,jednotky[w]nebo[dbm] jednotky[m 3]nebo[m 1] PASE Pp=Optick v kon erp n (pumppower) Ps=Optick v konsign lu Pi=Optick v konvi-t mj d e Ra,Re=Rychlostabsorpceaemise erp n [s 1] R=Polom rjednoj drov preformy[m],normovan radi ln sou adnice r=radi ln sou adnice[m] =Spektr ln v konov hustotadop edn (+),resp.zp tn (-)ASE[Ws] Sij=Vazebn koecient[m 2] SI=prolseskokovouzm nouindexulomu(step-index) T=Transmitance(propustnost),v t inouud van vdecibelech r=normovan radi ln sou adnice Tm()=Zm en spektr ln odezva,transmitancetcf TCF=Dvouj drov optick vl kno(twin-corebre) U=Normovan p n konstanta en vj d e u=p n konstanta en vj d e[m 1] 5

U(R;h)=Plochakruhov se e[m2] WDM=Vlnov multiplex(wavelengthdivisionmultiplexing) V=Normovan frekvence(parametrvvlnovodu) Wa,We=Rychlostabsorpceaemisenasign lov chvlnov chd lk ch[s 1] W=Normovan p n konstanta en vpl ti w=p n konstanta en vpl ti[m 1] eck abeceda =Pod ln konstanta en symetrick ho(+) A=Aritmetick pr m rkonstant en 1,2[m 1] =Absorp n konstanta[m 1], helzkrutu[rad] =Pod ln f zov konstanta en [m 1] =Rozd lpod ln chf zov chkonstant en [m 1] n=rozd lindexulomu(indexdierence) =P ekryvov faktor aantisymetrick ho({)vidu[m 1] T=Potla en slab hosign luvertcf[db] a=odchylkamezipolom ryjader[m] =Relativn zm naindexulomuvoptick mvl kn co=mezn (cut-o)vlnov d lkavidulp11[m] l=pracovn vlnov d lkalaseru[m] =Vlnov d lka[m] "=Elektrick permitivitaprost ed [F/m] p;s=vlnov d lka erp n asign lu[m] =Vzd lenostsousedn chmaximnebominimtransmitancetcf[m] =Magnetick permeabilitaprost ed [H/m] a,e=absorp n aemisn inn pr ez[m2] 2=Rozptyl(variance) =Sm rodatn odchylka =Frekvence[Hz] Er,Yb=Fluorescen n doba ivotaerbiaayterbia[s] (r;')=vlnov funkce, e en skal rn vlnov rovnice[v/m] (r;')=normovan vlnov funkce[m 1] '=Azimut ln sou adnice[rad] =Koecient tlumu[m 1] 6

Seznamobr zk 1.1Schematick zobrazen dvouj drov hovl knaajehofunkcejakoline rn ho vazebn ho lenudlouh hopr v jednuvazebn d lku.sign l,kter jenav z nnaza tkuvl knadoprvn hoj drajenav stupup epnutdodruh ho j dra.v vojp n horozlo en intenzityjenazna envn kolikabodechpo- 1.2Schematick zn zorn n innostineline rn hodvouj drov hovazebn ho stupni edi... lenu.rozlo en intenzityz en vrovin osjaderjenazna enor zn mi d lvl kna... 17 15 1.4Orientaceap n rozlo en elektrick hopolez kladn chvid dvouj drov ho 1.3P n ezaprolindexulomudvouj drov hovl kna... vl knapolarizovan chvosex... 24 21 1.6Typick absorp n spektrumhlinito-k emenn hoer3+-dopovan ho 1.5Sch maenergetick chhladiner3+sezn zorn n miabsorp n miaz iv mi vl kna[1].jednotliv absorp n p syodpov daj p echod mzn zorn n m p echody.uexperiment ln pozorovan chp echod vk emenn msklejsou naobr.1.5... uvedenyvlnov d lkyvnanometrech... 29 28 1.8N kter procesyp enosuenergiemezidv mabl zk miiontyvz cn chzemin, 1.7Absorp n aemisn spektrumyterbiavk emenn mvl kn [2]... donorem(1)aakceptorem(2).(a)senzitivn luminiscence,(b)k ov relaxace-p rov zh en,(c)k ov relaxace-kooperativn frekven n p echod 30 navy hladinu.p eru ovan rasymbolizujedeexcitacidonoruzasou- 3.1Postupp pravydouj drov hovl kna:(a) eztypickoupreformoujednovidov hovl kna,jej pr m rjecca10mm,(b)pojedn stran zbrou en 31 asn hop ed n energiesousedn muiontu(akceptoru).pln rovn rapak z ivouexcitacinebodeexcitaciazvln n ranez ivoudeexcitaciiontu. preformadotvarup smened,(c)dvouj drov preformavp epl ovac trubce,(d) ezvyta en mvl knem(pr m r125m)... 35 7

3.3Naho e:mikroskopick fotograe elatcfsozna en msg492vyroben ho 3.2ProlindexulomupreformySG566zm en naprolometruyorkp101. osex... (a)tomograevkart zsk chsou adnic ch,(b) ezpod hlem120v i osamijader.zm enoprolometremyorks14... v RE.Dole:prolindexulomuvl knasg120v ezuproch zej c mp ibli n 37 36 3.4P pravatcfsjedn mj dremvosevl knaprosnadn sva ov n sestandardn mioptick mivl kny;(a) ezpreformou,sljeplochalev,sv tlej sti ezupreformy,srjeplochaprav,tmav sti ezu;(b) ezvyta en m 3.5Experiment ln uspo d n prom en p enosov funkcetcf.vstupiv - vl knem... dov hovl knakjednomuzjadertcf... stupztcfbylrealizov nnava en mstandardn hojednoj drov hojednovi- 40 39 3.6V stupn optick v konzjednohoj dravl knaad273dvoud lek. vodi ov holaserue-tekvre imukonstantn hooptick hov konu(1.2mw). (a)l=3m,(b)l=1.48m.z vislostbylam enapomoc p eladiteln hopolo- 3.7Uk zkadegradacevazebn innostizkrutemaohybemudvoutcfnavinut chnac vce.(a)transmitancevl knaad273dlouh ho3m,pr m rc vky vlnov d lce... Graf(c)zobrazujez vislostvzd lenostisousedn chmaximpropustnostina 16cm,(b)transmitancevl knasg566dlouh ho1m,pr m rc vky10cm. 41 3.8Optick v konvystupuj c zjednohoj dravl knaad262dlouh ho0.48m vz vislostinavlnov d lcep eladiteln holaseru.(a)vstupn v kon200w, (b)vstupn v kon12mw,(c)funkcevzd lenostimaxim,resp.minimm().43 42 3.10VlivzkrutuTCFnatransmitancivl knasg566.(a)transmitancetm() 3.9Transmitancevl knasg566t r zn chd lekl.naspodn mgrafu(d) vzd lenostimaxim,resp.minim... jsouvynesenyp slu n zm en hodnotym())aregresn funkceth() shodnoufunkcijsmezm iliipro=6,atm()sminim ln hloubkou smaxim ln hloubkoumodulacenam en pro helzkrutu=0,t m 44 3.11Sch maenergetick chhladinsyst muer3+-yb3+.krom procesusenzibilaceerbiayterbiem,kter jevyu v njako erpac mechanismus,jezn zorn naifrekven n p em na erpac chfoton.zhlediskav konov chpom r 45 prot ir zn hlyzkrutuvl kna... modulacepro=10;(b)funkcevzd lenostimaxim,resp.minimm() 3.12Typick absorp n aemisn inn pr eziontuerbiavhlinito-fosf tov kompoziciskla[3]... jezanedbateln avmodelujinezahrnujeme,jej mprojevemjev akz eteln pozorovateln emisevzelen oblastispektra... 52 50 8

3.14Zm en transmitance1.294mdlouh hovl knasg484navlnov chd lk ch 3.13Sch maexperiment ln houspo d n m en a)saturaceabsorpce,b)zes len aktivn hovl kna... 53 funkcevypo ten spou it mrovnice(3.38),zekter chjsmeur iliparametry 1565nm(krou ky)a1550nm(k ky).plnou aroujsouzn zorn nyregresn 3.15Srovn n zm en ho(krou kyspojen p eru ovanou arou)ateoretick ho (pln ra)zes len zesilova evz vislostinav konu erp n prot i rovn vstupn hosign lunadvour zn chvlnov chd lk ch... apis... 57 54 3.16Pod ln z vislostnormovan hooptick hov konuvjednomzjadertcfpro 3.17Z vislostvelikostirozv z n prostorov horozlo en dvousign l ovlnov ch vl knoad262sparametryuveden mivtabulce3.3... sign lynadvour zn chvlnov chd lk ch.rozv z n prostorov horozlo en obousign l jenazna eno rafovanouplochou.v po etbylprovedenpro jevynesenaprot ir zn d lkyertcfad262... d lk ch=1560nma+najejichspektr ln modlad n.z vislost 59 58 3.18Srovn n teoretick transmitanceltruvypo ten pomoc numerick homodelu(vlevo)apomoc p ibl en saturovateln hoabsorb ruside ln mnehomogenn mroz en mspektr ln ry(vpravo).v po etbylprovedenpro vl knoad262sparametryuveden mivtabulce3.3,ner 3.19Saturaceabsorpceoptick chvlnna6=lsilnouvlnouovlnov d lce D lkavl knabyla1,2a3m.v konparci ln optick vlnynal=1530nm bylp(l)=3dbm... t=71024m 3. ErTCFpod lvl knaad262.srostouc mv konemst lem n iont z st v l=1560nm.a)relativn populacenaz kladn hladin erbiav1.j d e 61 3.20Malosign lov transmitanceertcfad262dlouh ho6mzap tomnosti vz kladn mstavuadoch z ksaturaciabsorpceiprooptick vlnynajin ch 5dBmsign lunal=1560:1nm.v stupn v konertcfjesn m nbu vlnov chd lk chne l.b)potla en slab hosign lutvz vislostina zoboujader( rkovan ra)nebojenz1.j dra(pln ra)... velikostivstupn hov konup(l)... 63 3.22Malosign lov transmitancekruhov hovl knov holaserusabezsledovac ho 3.21Sch mauspo d n laserupronumerick model... 66 64 3.23Malosign lov transmitancekruhov hovl knov holaserusabezertcf ErTCF... popisovan honumerick mmodelempror zn velikostiv konunavstupu ltrupror zn d l c pom ryv stupn chd li... 68 67 3.24Sch maexperiment ln houspo d n laseru... 69 9

3.26M en kyspektr ln rylaseruskanovac mfabryho-perotov minterferometrem...la ov n pomoc polariza n hokontrol ruapolariz toru,c)p ela ov n pomoc p smov hooptick holtru... 71 70 3.25VlivErTCFnatvarspektr ln ryer/ybvl knov holaseru:a)ab)p e- A.1Z vislostkonstant en U,Wz kladn hovidusivl knananormovan frek- 3.27Z vislost kyspektr ln ryna erpac mv konu... venciv.v po etbylprov d nt emizp soby,numerick m e en mcharak- teristick chrovnic(a.2,a.5)apodlep ibli n hoglogeho[4]vztahu(a.12), 72 d)jepatrn, eprov<1:4za n b tur ov n p n konstanty en v jeho p esnostjevgrafechb),d)srovn v nasnumerick m e en m.zgrafu pl tiwpodleaproximativn chvztah nepou iteln... 78 10

vod Ji v cene tvrtstolet uplynulooddoby,kdych.j.koesterae.snitzer[5]experiment ln demonstrovaliprvn vl knov laser.odt dobysev novalovelk silst ed atak zp sob erp n ikongurac rezon toru.a kolivsedlouhoudobu generovatsv tlonar zn chvlnov chd lk ch,v zkumuvhodn chaktivn chpro- v zkumuv konov chnebopulsn chvlastnost vl knov chlaser,jejichschopnosti provozn vlastnostiov emsn zk mv stupn mv konemajenm loaplikacemi, pokrokuavposledn chdvouletechseza naj prosazovatikomer n. zvl t vev konov chparametrecht chtozdroj z en bylodosa enov znamn ho pohl elonavl knov laseryjakonalaboratorn kuriozitu,kter poskytujezaj mav vl knodopovan 1materi lemvykazuj c mlaserov efekt(nap.prvkyvz cn ch zemin)jeopticky erp no,v t inoudal mlaserem,av stuplaserujez sk nz koncedopovan hooptick hovl kna.soust ed n erpac energieaaktivn chprvk Z kladn idea innostivl knov holaserujeelegantn jednoduch.optick tlou kasrovnateln stlou koulidsk hovlasuanadruh stran d lkaa des tky typ mpevnol tkov chlaser.p ipou it polovodi ov chlaser pro erp n secelkov innostd lezvy uje.geometriet chtooptick chvl ken,najednustranu doj draoptick hovl knav razn zlep ujeoptickou innost erp n oprotijin m an zkoztr tov spojov n soptick mivl knynavazuj c choptovl knov chobvod. plikovan vodn chlazen.dal v hodouvypl vaj c zvl knov geometriejesnadn metr,umo ujel peodv d ttepeln ztr ty,tak evespojen svysokou innost Jednovidov re imnapracovn vlnov d lcelaseruzaji ujevysokoukvalitusvazku energetick p em nynen zapot eb aniuvysokov konov chvl knov chlaser kom- v stupn hoz en.2v vojvl knov chlaser rovn vyu v zna n hopokrokuv svl knov milaseryazesilova ipou vale.snitzerneodymemdopovan vl kno erbiemdopovan chvl knov chzesilova protelekomunikace. oblastipolovodi ov ch erpac chzdroj -laserov chdiod,pevnol tkov chlaser a zej c z ejm zn meck hodotieren)nebodopovat(zanglick hotodope).vsouvislostisoptick mi 1Prop id v n p m s dour it homateri lusev esk mjazycepou v slovesadotovat(poch - Jak vlastn bylhistorick v vojvl knov chlaser?vprvn chexperimentech vl knysev akv eskypsan odborn literatu epou v t m v hradn v razdopovatav raz odn jodvozen ch. 2V stupvl knov holaserujejednovidov sparametremkvalitysvazkum2<1:1. 11

obto en vespir lekolem erpac v bojky.vroce1973pakj.stoneach.burrus azesilova enastalovpolovin osmdes t chlet,kdyv zkumn t mnauniversityofsouthamptonvanglii,veden DavidemN.Paynem,uk zal, eiontyprvku erpan diodov mlaserem;ov emvzhledemkn zk muv konudiodajejichmal ivotnostiupadlatatotechnologiedozapomenut.obnoven z jmuovl knov lasery zbellov chlaborato vyrobilineodymemdopovan vl knov lasery,kter ji byly kolem1.5m,vyu van vkomunika n chsyst mech.jakozdroje erp n bylynejprvepou v nyp eladiteln plynov nebopevnol tkov lasery,aleji vroce1989 vz cn zeminyerbiamohouvevl knechvyvolatoptick zes len navlnov d lce sepoda ilovyvinoutpolovodi ov laserov diodyemituj c z en navlnov d lce 1480nmvhodn pro erp n erbia.orokpozd ji,tedyzhrubapo ty echletech zesilova ekomer n dostupn. odpr kopnick chprac nauniverzit vsouthamptonu,ji bylyerbiemdopovan sledkr tk chpuls,kter jsouvyu v nyvevysokorychlostn chasolitonov chkomunika n chsyst mech.vl knov laseryspasivn vidovousynchronizac generuj c ultrakr tk pulsy dustovekfemtosekundmohounaj tvyu it vramanovsk spek- syst myav vojaktivn vidov synchronizovan chvl knov chlaser generuj c ch Vtelekomunikac chjdeov vojp eladiteln ch zkop smov chlaser prowdm Vdevades t chletechserozv j v vojvl knov chlaser pro aduaplikac. pl t m,kdevnit n pl vl knaslou jakomnohavidov vlnovodpro en erp n,umo uj vyu tpro erp n pole erpac chdiodap itomzachovatjednovidovj c chvcw(continuouswave-kontinu ln m)re imu.dopovan vl knasdvojit m syst m LIDAR.Zvl v razn jepokrokvoblastivysokov konn chlaser pracutroskopiiaq-kl ovan vysokov konov vl knov laseryjsousou stmidetek n ch USA)aIREPolus(Frjazino,Rusko)ji komer n dod vaj yterbiov vl knov laserysv stupn mv konema 40W.Tytolaseryseuplat uj voblastizpracov n en sign lu.toutotechnologi bylouyterbiov hovl knov holaserudosa enov stupn hov konu110wnavlnov d lce1080nm.dvav robci,sdl(sanjose, materi lu,jakoje h n sou stekjemn mechaniky,selektivn sv en ap jen, znich jemo n nav zatdojednovidov hovl knav kon dumaxim ln stovek zna kov n plastov chakovov chd l apod.vtelekomunika n chaplikac chse mw.p edm temp edkl dan pr cejev vojspeci ln choptick chvl kensdvouj drovougeometri ajejichaplikacevevl knov chlaserech.po te n motivac pro pou vaj vysokov konov cwlaserysybdopovan mvl knempracuj c navlnov d lce980nmjako erpac zdrojeedfaanahrazuj tak erpac polovodi ov diody, v hosolitonov holaseru,jakjebl epops novodd le1.1.vpr b hupr cesev ak v vojdvouj drov hovl knabylopotenci ln vyu it t tosou stkyjakoneline rn hovazebn ho lenupropasivn vidovousynchronizaciatvarov n pulsuvl knon hostavutechnikymo n.vp edkl dan pr cijepops nanov,p vodn aplikace uk zalo, ep ipravitdvouj drov vl knospo adovan mivlastnostminen zasou as- 12

Yb/Erspasivn vidovousynchronizac 3a Developmentofstablesolitonsource 4. laseru. dvouj drov hovl knaprostabilizacivlnov d lkyaz en ky ryvl knov ho Z skan v sledkyapoznatkyjsouvyu v nyad lerozpracov v nyvr mcinov ho projektu Generov n sleduoptick chpuls svysokouopakovac frekvenc vevl knov chlaserechzalo en chnamodula n nestabilit 5.Zm n n projektysezab vaj Diserta n pr cebylaprov d navr mciv zkumn chgrant Vl knov laser studiemvl knov chlaser,jejich praktick vyu it jep edev mvezdroj chsign lu periment ln v sledky.n sledujeteoretick popis en elektromagnetick chvlnv prosolitonov komunika n syst my. dvouj drov mvlnovoduvych zej c zteoriev zan chvid.elektromagnetick pole n hostavuv zkumuaaplikac dvouj drov choptick chvl kensd razemnaex- V vodn modd leprvn kapitolydiserta n pr cejeuvedenp ehledsou asrenc -z zn ji-obouvid.vposledn modd let top ehledov kapitolyjsoustru n shrnutyvlastnostiprvk vz cn chzeminvesklechazvl t vk emenn choptick chvl knech,kter jsounezbytn prodal v kladjakaktivn hom diavl knov ho laseru,takdvouj drov hovl knadopovan hoerbiem.vdruh kapitolejsoufor- symetrick maantisymetrick mvidem,a en z en vl knemjepakd nointerfe- lzepopsatdv maline rn polarizovan mivlastn mividydvouj drov hovlnovodu, mulov nyc lediserta n pr ce.vet et,nejrozs hlej kapitole,jsouuvedenyvlastn v sledkydisertace.tatokapitolase len dot odd l.vprvn mjepops nap prava odd lejepops nmodelerbiemayterbiemdopovan hovl kna,kter slou jako kouadostate nouvazebn innost.jsouzdetak uvedenymetodycharakterizace vl kna;zvl tn pozornostjev nov nametod ur ov n vazebn d lky.vdruh m dvouj drov hovl kna,p i em c lembylovyrobitvl knospo adovanouvazebn d l- zesilovac m diumvkruhov mrezon toruvl knov holaseru,ametodyur ov n parametr aktivn hovl knapot ebn chprofyzik ln model.t et odd lpojedn v op vodn aplikacidvouj drov hovl knadopovan hoerbiemprostabilizacivlnov serta n pr ceobsahujez kladn vztahyanumerick metodyprov po etkonstant p edchoz chodd l demonstrov nafunkcesou stkynumerick mmodelemapot je pops noiexperiment ln ov en innostisou stkyvevl knov mlaseru.p lohadi- d lkyaz en ky ryvl knov holaseru.nejprvejespou it mv sledk obou lomu. dvouj drov hovl kna,jeho j dramaj obecn,rota n symetrick prolindexu en arozlo en polevjednoj drov mvl knov mvlnovodupot ebn pron vrh 4EuropeanComissionprogrammeCopernicusNo.7882"Solitron",1994-1997 5Grantov agentura esk republiky,grant.102/99/0393,t let grantza naj c r.1999 3Grantov agenturaakademiev d esk republiky,grant.267403,1993-1996 13

Kapitola1 P ehledsou asn hostavuv dn problematiky 1.1 Sou asn stavv zkumuaaplikac dvouj drov ch turupodobnoujakostandardn telekomunika n vl knast mrozd lem, etcfm Dvouj drov optick vl kno(anglickytwin1-coreber-tcf)m rozm ryastruk- vl ken bl zk infra erven oblastispektra.funkcetcfjakoline rn hovazebn ho lenuje zobr.1.1.rozm ryaindexlomujaderjevolentak,abyj dravytv elan zkoztr tov vlnovodpouzeproz kladn vidlp01navlnov chd lk chzviditeln nebo dv paraleln j dram stojednoho.p edstavuostruktu evl knasijemo n u init n mzjaderzasahujedodruh hoj dra.obavlnovodyjsoutaktonavz jemv zany vazebn ch len (d li v konu).evanescentn poleoptick hosign luveden hojed- analogick jakouintegrovan optick ch,pop.bikonick chsva ovan chvl knov ch z nnaza tkuvl knadojednohozjader,doch z kpostupn mup el v n v konu am emezinimidoch zetkp el v n z en.jestli ejetedyoptick sign lnav - dodruh hoj dra.maxim ln hooptick hov konuvdruh mj d ejedosa enona p evy ujelc,doch z kperiodick mup el v n v konumezij dry. vzd lenostirovn tzv.vazebn d lcelc.vevl knech,jejich d lkan kolikan sobn spojen vr mcioptick hokabelu.jedn mzezvl tn chjev,kter bylonutn pro Po te n mz m rembylovyu ttakov vl knaza elemzv en mo n hopo tu dostalopozornostiji odza tkupou v n optick chvl kenvtelekomunikac ch. loze en elektromagnetick chvlnvev cej drov choptick chvl knechse v cej drov vl knavy e it,jep eslechoptick hosign lumezisousedn mij dry.na j dramaj t m shodn fyzik ln vlastnostiageometrii. ber,v razemtwin-core(zanglick hotwin=dvoj e)jeoby ejn m n ntakov p pad,kdyob za tkusedmdes t chleta.w.snyderzaustraliannationaluniversityvyvinul 1N kdysevanglickypsan odborn literatu eobjevujeiv razdouble-,bi-,dual-nebotwo-core 14

y y x Obr zek1.1:schematick zobrazen dvouj drov hovl knaajehofunkcejakoline rn ho x vazebn ho lenudlouh hopr v jednuvazebn d lku.sign l,kter jenav z nnaza tku vl knadoprvn hoj drajenav stupup epnutdodruh hoj dra.v vojp n horozlo en vesrovn n sp stupyvyvinut mijin mibadateliposkytujezvl t jednoduch a intenzityjenazna envn kolikabodechpod lvl kna. n zorn v sledky.sv v zkumn sil zahrnulspolusj.d.lovemdozn m ern knihy [6],kter jest leu ite n mn strojemproin en rypracuj c voblastivlnovodn optiky.spolehlivostap esnosttohotop stupu,n kdytak naz van ho konven n teoriev zan chvid,bylapodrobenad kladn prov rcevpolovin osmdes t chletkdyp nov HardyaStreiferp edlo ilitzv. Novouteoriiv zan ch vid [7,8],okter tvrdili, ejep esn j mn strojempropopisparaleln chvlnovodn chstruktur,atozvl t takov ch,kter maj mal vzd lenostimezij dry,nav c nestejn mi.vn kdya ostr polemice,kter prob hlanastr nk chodborn ch asopis,p edev melectronicsletters[9,10,11,12],bylodok z no, eob teorie matematick formalismus,kter pomoc teoriev zan chvid tentojevpopisujea vlnvdvouj drov vlnovodn struktu ejev nov nodd l1.2. jsouekvivalentn [13,14]ad le, e konven n teoriev zan chvid seukazujeb t promnohop pad jednodu avhodn j,nebo jej mv sledkemjep mov voj optick hov konupod lvlnovodu.podrobn mupopisu en elektromagnetick ch nikac,kdejemo n tentojevvyu t.taku prvn funk n vzorekdvouj drov ho stranunavr ena adaaplikac voblastioptovl knov chsenzor aoptick chkomu- v cej drov chvl kenne douc p eslechymezip en en misign ly,bylanadruhou A kolivvz jemn vazbamezij dryzp sobujeprop vodn zam len pou it vl kna,kter bylvyrobenvev zkumn laborato irmysiemensagvmnichov byltestov nnavlnov chd lk ch633nma876nm.bylozji t no, evazebn in- [15,16],bylur enpropou it vefunkcism rov hovazebn ho lenu.vazebn len 15

vypo tenazap edpokladustejn chf zov chrychlost vid proobavlnovody.f zov rychlostivobouvlnovodechbylyure ln hovl knaz ejm odli n d kymal m odli nostemvgeometriioboujader.ohnut m stivl knajemo n vyrovnatrozd l f zov chrychlost atakovlivnitvazebn innost[17,18].podobn efektm pozvoln zkrucov n dvouj drov hovl knasvinut hodosmy ky.t mtozp sobembyl realizov nvl knov atenu torsprom nn m tlumem[19,20]. nostm en na sec chp m hovl kna,jepodstatn ni,ne jak bylateoreticky e en jepou tzvl t protento elp ipraven plan rn obvod,vyroben nejl pe jehostran byloka d j drop ipojenoksamostatn mujednoj drov muvl knu.zat mn mnen zn mo, ebytentoprobl mbyluspokojiv vy e en.jedn mzmo n ch M -litcffungovatjakosm rov vazebn lenjenutn,abyalespo najedn technologi v m nyiont vesklech,kdyplan rn vlnovodm eb tvyrobenp esn aspodobn mprolemindexulomujak maj j dratcf[21].byltak navr enspeci ln konektorspojuj c dvouj drov vl knoadv samostatn jednoj drov vl kna, kter bybylomo n vyrobitzdvoustandardn chtelekomunika n chvl kenasklen n kapil ryspou it mza zen prov robubikonick chsva ovan chvazebn ch len [22]. d li esvazku,vl knov chpolariz tor,pop.polarizacizachov vaj c chsm rov ch vazebn ch len.bylademonstrov naz vislostvazebn chcharakteristiknateplot vlastnost napolarizaci[23],kteroujemo n vyu tprokonstrukcipolariza n ho UTCFsvelkouelipticitoujaderbylapozorov nazna n z vislostvazebn ch anavr enoptovl knov teplotn senzorzalo en nat tovlastnosti[24]. t tosou stkyprooptickouspektr ln ltraci.prooblastwdm(wavelengthdivisionmultiplexing)optick chkomunikac bylzkonstruov nvlnov demultiplexer prodvakan lynavlnov chd lk ch1300nma1550nm,kter jeji komer n Z vislostvazebn chcharakteristiktcfnavlnov d lcevyb z kuplatn n dostupn [25,26].Pomoc dvouj drov chvl kensnestejn mij dryjemo n realizovatp smov ltrp edemnavr en hospektr ln hopr b huza elemdosa en t uk z no, etytoltryvykazuj velmimaloucitlivostspektr ln chcharakteris- vesm sdosudpou vaj navyhlazov n spektrazes len EDFA. efektivn pod lnehomogenn horoz en absorp n aemisn ryerbia.tohotojevuje tiknatahateplotn zm ny,co jenaopaknedostatekvl knov chm ek,kter se vyrovnan hozes len v irok mspektr ln mp suuerbiemdopovan chvl knov ch zesilova (erbium-dopedberamplier,edfa)prowdm[27].vt topr cibylo vyu itovevl knov mzesilova inab zitcfdopovan hoerbiem,vekter mdoch z kvyrovn v n v konusign l jednotliv chwdmkan l [28,29].Vdiserta n pr ci Erbiemdopovan TCFsvelmikr tkouvazebn d lkouvykazujev razn v t zkop smov vl knov ltrpops nvodd le3.3. ryastabilizacipracovn vlnov d lkyvl knov holaseru[30,31,31].podrobn je jsmetentojevvyu ilip irealizaci zkop smov holtru,slou c hokz en ky Jin slibn pou it TCFjep isestavov n Machova-Zehnderovainterferometru. 16

Obr zek1.2:schematick zn zorn n innostineline rn hodvouj drov hovazebn ho lenu. Vtomtop pad nen proaplikacid le it vz jemn vazbamezivlnovody,jako Rozlo en intenzityz en vrovin osjaderjenazna enor zn mistupni edi. rameninterferometrujev hodn,jakzhlediskakompaktnosti,takteplotn stability. Naza tkuvl knav akmus b t sek,kdedoch z krozd len vstupn hoz en do vlivy.pou it dvourozd ln chnebodostate n odsebevzd len chjaderjakodvou sp epom rn velk necitlivosttakov hovl knov hointerferometrunar zn vn j pomoc za zen prov robubikonick chsva ovan chvazebn chz eno,tak ezde vekter mdoch z kvlastn interferenci.vpr ci[32]bylopou ito200mdlouh TCFsevzd len mij drybezvz jemn vazby.napo tkuanakoncibylovl kno dvourameninterferometru(jadervl kna)anakoncivl knazaserekombina n spoj, doch zelokvazb meziob maj dry.taktovytvo en interferometrbyltestov n 17

jakoneline rn,pln optick p ep na velmikr tk chpuls prosyst myzpracov n sign lu. zebn len.d kyvazb p esevanescentn polesesign l,nav zan napo tkuvl kna po tkuroku1982navrhls.m.jensendvouj drov vazebn lenjakosp na zen optick mv konem.p in zk ch rovn chsign lusesou stkachov jakoline rn va- Kneline rn mup ep n n m edoch zetivevazebn m lenusamotn m.na jendojednohozjader, t m zcelavedruh mvlnovoduvevzd lenostirovn stkaexperiment ln demonstrov navinstitutuob ejzikivmoskv [33,34]a jep enosv konumezivlnovodyzamezen pln (vizobr.1.2).poprv bylatatosou- vazebn d lce.vy intenzitaz en sign lupakindukujezm nuindexulomu,tak e pozd jinez vislevbellcomm.research[35,36,37].kritick v konyprop epnut dojdekrozlad n vazbymezivlnovodyan sledn,odjist kritick v konov rovn, bylyextr mn vysok, dov kw.ob v zkumn skupinypozorovalytepelnoudegradacivazbyb hemexperimentuchronizacelaseru.taktouspo dan mlaserem,bylonavr enogenerov n sledusubpikosekundov chsolitonov chpuls [38,39,40].Takov lasernebyldosudexperi- z v rku,dodutinyvl knov holaseruza elemdosa en re imupasivn vidov syn- Neline rn vazebn lenjemo n pou ttak jakoneline rn optick prvek, nizovan laserstcfzapojen mvrezon toruje[41].lasergenerovalsledpuls, podleosobn hosd len autor v akvidov synchronizacenebylodosa enod kydvouj drov muvl knu,n br d kyneline rn munat en polarizacevoptick mvl knment ln realizov n.jedin n mzn m pr ce,vekter bylsestavenvidov synchro- jevazebn d lka,kter mus b t dov metryproneline rn vazebn lenyvyroben zk emenn hosklaap ep nac v konyv dustovekwatt,adal mjevazebn trech,kter jenutn br tv vahup in vrhuav rob sou stky.jedn mzparametr rezon toru.funkceneline rn hovazebn ho lenuz vis nejkriti t jinadvouparame- srostouc odli nost geometrieoboujader.v robn tolerancekladen nageometrii jaderjsouv aktakvysok, ezasou asn hostavutechnikynen mo n p ipravit dvouj drov vl knosdostate nouvazebn d lkou,abydoch zelokneline rn mu innost,kter mus z statdostate n vysok. innostline rn vazbyp itomkles p ep n n vrezon torulaseru. pova ovatzazcelav rohodn. uv d n vazebn d lkavrozporusostatn miparametryanen tyto dajemo n t ln chprac ch,jsoup ehledn uvedenyvtabulce1.1.un kolikavl kenjeautory Parametryn kter chtcf,kter bylypou ityvdosudzmi ovan chexperimen- 18

publikace parametrytcfuveden autory [m][m] a d [nm] NA [cm] LcP2(Lc) P1(0) pou it Schiner[15] Friberg[35] 2.5 13 0.876 1064 6330.093 0.13 18.5 1.47 52y vazebn len Friberg[36] (5.4) neline rn Majer[33] 1.4 1.3 8.49 6200.096 532 0.12 0.47 75y p ep na propln Chu,Wu[42] 1.5 6.5 514 (8.6) 125y optick zpracov n Nayar[32] 3.8 37 1320 0.21(0.83) - 0Mach v sign lu Murakami[17] Zehnder v Drolet[19] 2.76 1.82 9.93 9.4 820 633?0.1 5.14 0.92 0.01atenu tor interfer. Arkwright[26] Peng[23] 1.5/ 416.87 13000.117 1550 0.536 1.072 1WDMde- 2.4 9 633?0.1 1.1 1multiplexer polariza- Snitzer- n d li Meltz[24]?0.4?0.5?2.5 1.8 633 650 0.56 0.25 0.24 0.11 1senzor 1teploty svazku Laming[29] Reinhardt[41] 1.43?4.5 15500.274 1551 0.1257 0.126 1equaliz rze- 3.919.22 41.91560 0.1?2000 1.2 1s len EDFA pas.vidov synchronizacelaseru Tabulka1.1:Vlnovodn parametryvybran chpublikovan chdvouj drov chvl ken.v znamprom nn ch:a-polom rjader,d-vzd lenostosjader,-vlnov d lka,na-numerick d lkylcozna en k kemy,jevhrub mnesouladusteoretickouvazebn d lkou,uvedenou vz vorce,kter jevypo tenapodleostatn chparametr.otazn kemjeozna en daj,kter apertura,lc-vazebn d lka,p2(lc) nen zpublikacezcelaevidentn. P1(0)-vazebn innosttcf.autoryud van hodnotavazebn

1.2 en elektromagnetick chvlnvdvouj drov mvlnovodu vl kna)obecn libovoln hoproluindexulomu,kter jsouobklopenyprost ed m Uva ujmevlnovodnoustrukturudvoudielektrick chv lc (jaderdvouj drov ho rovnici sindexemlomuncl.p kladtakov strukturyjenaobr.1.3,propopisbudeme vesm spou vatcylindrickousou adnousoustavu.elektromagnetick vlnysharmonickouz vislost na asezdemus spl ovatvektorovouhelmholtzovuvlnovou intenzityvlny.oindexulomun=n(r;')p edpokl d me, esenem n pod losyz kdejelaplace voper tor,k0jevlnov vektorvlnyvevakuu,evektorelektrick (+k20n2)e=0; (1.1) polarizovan kolmokosez. c hovlnovodu[4],kdyveden vidyvlnovodujsouelektromagnetick vlnyline rn a eplat (nico ncl)=ncl1,i=1;2.jetedymo n pou tp ibl en slab vedou- ijemeteoriiv zan chvid (anglickycoupled-modetheory,cmt).un kter ch speci ln chp pad vlnovod,kdejemo n pou tmetodyseparaceprom nn ch pro e en Helmholtzovyvlnov rovnice(1.1),jematematickyefektivn afyzik ln K e en lohy en elektromagnetick chvlnvdvouj drov mvlnovodupouvlnovod,nelzevidyvlnovoduvypo tatatatometodajenepou iteln. spl ujezadan okrajov podm nky.av akprop padkomplikovan j chokrajov ch podm nek,kdynen mo n prov stseparaciprom nn ch,jak mjeidvouj drov n zorn prov stv po etelektromagnetick hopolerozvojemdovid,znich ka d rozvojempoleslo en hosyst mudo pln sadyzn m chvid jednodu chpodsyst m.tytozn m vidysamyosob nespl uj okrajov podm nkyslo en hosyst mdov pojet n kter hozpodsyst m z st v fyzik ln n zorn.tohojedosa eno vlastn vidynemohoub tnalezeny,proslo itostokrajov chpodm nek,alekdevi- Teoriev zan chvid sepokou zachovatvidov pojet iprotyp pady,kdy druh ho,tj.sprolemindexulomun1,n2,podporuj nauva ovan pracovn vlnov adoch z takmezinimikvz jemn vazb.koecientyvidov horozvojepoleproto ji nejsouvz jemn nez visl,alejsouur enyzesoustavyv zan chrovnic. ortogon ln chpolarizac ch.vdal mbudemebez jmynaobecnosti(zap edpokladu d lce en pouzez kladn hovidulp01.tenm eexistovatvedvounavz jem Vsituacipodleobr.1.3obauva ovan dielektrick v lcevizolacijedenod oprolechindexulomun1,n2jepakmo n popsatvztahy rota n symetrick chprol indexulomun1;n2)uva ovatpouzevidypolarizovan vosex.poleveden chvid nez visl chvlnovod tvo en chdielektrick miv lci 1,2jsoupod ln konstanty en,vlnov funkce en pole.proveden mderivac @2 Ex1(r;';z)= 1(r;')e j1z; @z2vhelmholtzov chrovnic chproobaizolovan Ex2(r;';z)= 1, 2popisuj p n rozlo- 2(r;')e j2z: (1.2) 20