Propagación de pulsos en fibras ópticas con ceros de no linealidad
Los efectos ópticos no lineales tienen lugar a partir de la interacción entre un campo electromagnético intenso y un medio dieléctrico y son responsables de fenómenos de interés como la aparición de nuevas frecuencias, la generación de suma y diferencia de frecuencias y el ensanchamiento espectral,...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2024
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| Materias: | |
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Instituto Balseiro |
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Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) |
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Los efectos ópticos no lineales tienen lugar a partir de la interacción entre un campo electromagnético intenso y un medio dieléctrico y son responsables de fenómenos de interés como la aparición de nuevas frecuencias, la generación de suma y diferencia de frecuencias y el ensanchamiento espectral, entre otros. En medios no centrosimétricos, como las fibras ópticas, estos efectos se manifiestan a través de la susceptibilidad de 3er orden. Esta tesis aborda el estudio de efectos lineales y no lineales, como la
dispersión cromática, el efecto Kerróptico (responsable de la automodulación de fase y la modulación de fase cruzada), el scattering de Raman estimulado y el self-steepening, para el análisis de la dinámica de pulsos en medios ópticos no lineales, particularmente aquellos que presentan un perfil de no linealidad arbitrario. Se estudió la dinámica de propagación de solitones, los cuales son pulsos que resultan de la combinación de efectos lineales y no lineales y cuya forma y espectro permanecen inalterados durante la propagación, y también de ondas dispersivas que surgen de la perturbación de los solitones. En general, en la bibliografía, la propagación no lineal en fibras ópticas se modela a través de la ecuación no lineal de Schrodinger (NLSE) y de la ecuación no lineal de Schrodinger generalizada (GNLSE). Sin embargo, dado que ha sido demostrado que estas ecuaciones no conservan el n´umero de fotones para medios con perfiles no lineales con una dependencia arbitraria con la frecuencia, se utilizan las recientemente
introducidas photon-conserving NLSE (pcNLSE) y su versión generalizada (pcGNLSE) para modelar la dinámica de pulsos y su interacción en medios que exhiben un cero de no linealidad.
En este trabajo, además, se utilizan analogías temporales de la óptica geométrica y su extensión a medios no lineales para el estudio de la interacción de un pulso débil (signal) con un pulso intenso (pump). Este último actúa como barrera temporal mediante la modificación local del índice de refracción, lo que permite la reflexión o transmisión del signal, incluso siendo posible que este experimente la reflexión total interna. A partir de estas analogías se introdujeron los conceptos de cavidad y láser temporales, con aplicaciones a la medición distribuida de parámetros de la fibra. Asimismo, considerando las nuevas guías de onda con perfiles de no linealidad arbitrarios, en particular aquellas que exhiben un cero de no linealidad, se estudió la dinámica de propagación de los solitones y las ondas dispersivas. Se observó la influencia del cero de no linealidad comparando los resultados obtenidos utilizando la GNLSE y la pcGNLSE. Finalmente, se utilizan las analogías temporales para introducir un nuevo modelo analítico que permite describir la interacción pump-signal en medios con un cero de no linealidad, y se exploran aplicaciones de conmutación puramente óptica. |
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I25-R131-12612024-09-12T18:37:51Z Propagación de pulsos en fibras ópticas con ceros de no linealidad Pulse propagation in optical fibers with zero-nonlinearity wavelengths Sparapani, Alexis C. Telecomunicaciones Optical fibers Fibras ópticas Nonlinear optics Óptica nolineal Solitons Solitones: [Nonlinear profile Perfiles de no linealidad Zero-nonlinearity wavelegnth Cero de no linealidad] Los efectos ópticos no lineales tienen lugar a partir de la interacción entre un campo electromagnético intenso y un medio dieléctrico y son responsables de fenómenos de interés como la aparición de nuevas frecuencias, la generación de suma y diferencia de frecuencias y el ensanchamiento espectral, entre otros. En medios no centrosimétricos, como las fibras ópticas, estos efectos se manifiestan a través de la susceptibilidad de 3er orden. Esta tesis aborda el estudio de efectos lineales y no lineales, como la dispersión cromática, el efecto Kerróptico (responsable de la automodulación de fase y la modulación de fase cruzada), el scattering de Raman estimulado y el self-steepening, para el análisis de la dinámica de pulsos en medios ópticos no lineales, particularmente aquellos que presentan un perfil de no linealidad arbitrario. Se estudió la dinámica de propagación de solitones, los cuales son pulsos que resultan de la combinación de efectos lineales y no lineales y cuya forma y espectro permanecen inalterados durante la propagación, y también de ondas dispersivas que surgen de la perturbación de los solitones. En general, en la bibliografía, la propagación no lineal en fibras ópticas se modela a través de la ecuación no lineal de Schrodinger (NLSE) y de la ecuación no lineal de Schrodinger generalizada (GNLSE). Sin embargo, dado que ha sido demostrado que estas ecuaciones no conservan el n´umero de fotones para medios con perfiles no lineales con una dependencia arbitraria con la frecuencia, se utilizan las recientemente introducidas photon-conserving NLSE (pcNLSE) y su versión generalizada (pcGNLSE) para modelar la dinámica de pulsos y su interacción en medios que exhiben un cero de no linealidad. En este trabajo, además, se utilizan analogías temporales de la óptica geométrica y su extensión a medios no lineales para el estudio de la interacción de un pulso débil (signal) con un pulso intenso (pump). Este último actúa como barrera temporal mediante la modificación local del índice de refracción, lo que permite la reflexión o transmisión del signal, incluso siendo posible que este experimente la reflexión total interna. A partir de estas analogías se introdujeron los conceptos de cavidad y láser temporales, con aplicaciones a la medición distribuida de parámetros de la fibra. Asimismo, considerando las nuevas guías de onda con perfiles de no linealidad arbitrarios, en particular aquellas que exhiben un cero de no linealidad, se estudió la dinámica de propagación de los solitones y las ondas dispersivas. Se observó la influencia del cero de no linealidad comparando los resultados obtenidos utilizando la GNLSE y la pcGNLSE. Finalmente, se utilizan las analogías temporales para introducir un nuevo modelo analítico que permite describir la interacción pump-signal en medios con un cero de no linealidad, y se exploran aplicaciones de conmutación puramente óptica. Nonlinear propagation effects arise from the interaction of an intense electromagnetic field with a dielectric medium and are responsible for several interesting phenomena such as the the appearance of new frequencies, sum and difference frequency generation, and spectral broadening, among others. These effects are made apparent in non-centrosymmetric media, such as optical fibers, through the 3rd-order electrical susceptibility. This thesis addresses the study of linear and nonlinear effects, such as chromatic dispersion, optical Kerr effect (responsible for self-phase and crossphase modulation), stimulated Raman scattering, and self-steepening, in order to study pulse dynamics in nonlinear optical media, particularly those which have a frequencydependent nonlinear profile. We study the propagation dynamics of solitons, which are pulses that result from the combination of both linear and nonlinear effects, and whose shape and spectrum remain unaltered along propagation, and also of dispersive waves which arise from perturbed solitons. Generally, in the literature, nonlinear propagation in fiber optics is modeled with the nonlinear Schr¨odinger equation (NLSE) and the generalized nonlinear Schr¨odinger equation (GNLSE). However, since it has been shown that these equations do not conserve the number of photons in media with an arbitrary frequency-dependent nonlinear profile, we use the recently introduced photon-conserving NLSE (pcNLSE) and its generalized version (pcGNLSE) to model pulse dynamics and its interaction in media which exhibit a zero-nonlinearity wavelength. Throughout this work temporal analogies from geometrical optics and their extension to nonlinear media are employed to study the interaction of a weak signal pulse with an intense pump pulse. The latter acts as a temporal barrier by changing the local refraction index allowing for the reflection or transmission of the weak signal, even leading to its total internal reflection. Based on these analogies, we introduced the concept of a temporal cavity and a temporal laser, with applications to the distributed sensing of fiber parameters. Furthermore, considering novel waveguides with arbitrary nonlinear profiles, in particular those which exhibit a zero-nonlinearity wavelength (ZNW), the dynamics of solitons and dispersive waves were studied. We observed the influence of the ZNW by comparing results obtained with the GNLSE and the pcGNLSE. Finally, we used temporal analogies to introduce a novel analytical model describing the pump-signal interaction in media with a ZNW, and explored applications to all-optical switching. 2024-04-11 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1261/1/1Sparapani.pdf es Sparapani, Alexis C. (2024) Propagación de pulsos en fibras ópticas con ceros de no linealidad / Pulse propagation in optical fibers with zero-nonlinearity wavelengths. Tesis Doctoral en Ciencias de la Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1261/ |