CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

Jovana Petrović*, Ljupčo Hadžievski, Institut za nuklearne nauke „Vinča”, Univerzitet u Beogradu

*jovanap@vin.bg.ac.rs

Sergei Turitsyn, Aston Institute of Photonic Technologies, Aston University, Velika Britanija

SADRŽAJ

U ovom radu data je analiza trendova razvoja optičkih sistema prenosa i porasta potreba za njihovim kapacitetom, a zatim su razmotrene mogućnosti da se primenom nelinearne optike prevaziđu postojeća ograničenja. Dati su pregled osnovnih nelinearnih efekata koji se javljaju prilikom generacije, prenosa i kontrole optičkih signala i primeri njihovih primena u postojećim telekomunikacionim sistemima. Posebna pažnja posvećena je ulozi nelinearne optike u budućim sveoptičkim sistemima.

Ključne reči: nelinearna optika, sve-optički sistemi prenosa

The role of nonlinear optics in telecommunications

Jovana Petrović*, Ljupčo Hadžievski, Vinča Institute of Nuclear Sciences, University of Belgrade

*jovanap@vin.bg.ac.rs

Sergei Turitsyn, Aston Institute of Photonic Technologies, Aston University, UK

ABSTRACT

The paper analyzes the development trends in optical transmission systems, the increased requirements for their capacity and the possibilities of overcoming the existing limitations through implementation of nonlinear optics. It also gives an overview of the basic nonlinear effects which occur during the process of optical signal generation, transmission and control, and of the examples of their implementation within the existing telecommunication systems. Particular emphasis was given to the role of nonlinear optics in the future all-optical systems.

Key words: nonlinear optics, all-optical transmission systems

1. UVOD

Stalni rast potreba za većom brzinom i kapacitetom telekomunikacionih mreža diktira intenzivna naučno-tehnološka istraživanja i razvoj u oblasti optičkih telekomunikacija. Uvođenje novih tehnologija rezultiralo je rastom kapaciteta optičkih prenosnih mreža od oko 2,5 puta godišnje što se, po analogiji sa brzim razvojem integrisane elektronike, naziva optičkim Murovim zakonom [1]. Od prve optičke linije uvedene početkom šezdesetih godina sa kapacitetom of nekoliko kbit/s dovoljnih za jednu telefonsku liniju, danas je kapacitet porastao na preko 10 Tbit/s, što omogućava više od 250 miliona istovremenih telefonskih razgovora ili više od 100 hiljada širokopojasnih veza protoka 10 Mbit/s [2]. Ovaj impresivan napredak omogućen je uvođenjem nekoliko novih tehnologija tokom prethodnih godina, od kojih su najznačajnije razvoj jednomodnog transmisionog optičkog vlakna sa niskim gubicima, pronalazak optičkog pojačivača u vlaknu dopiranom erbijumom (EDFA - erbium-doped fiber amplifier), razvoj multipleksiranja po talasnim dužinama (WDM - wavelength division multiplexing), i najnovija tehnologija koherentne detekcije zasnovane na brzoj digitalnoj obradi signala (Slika 1). Međutim, kapacitet optičkih prenosnih sistema koji se može ostvariti modernim tehnologijama ograničen je nelinearnom Šenonovom granicom od oko 10¹⁴ bit/s. Sa druge strane, dinamički razvoj informatičkog društva zasnovanog na masovnom i brzom prenosu informacija zahteva porast kapaciteta od oko 1,4 puta godišnje. Imajući u vidu predviđeni rast kapaciteta i pomenuto ograničenje, može se očekivati da će oko 2020. godine potrebe nadmašiti kapacitete instaliranih optičkih prenosnih mreža [3]. Prirodno se nameće pitanje koja tehnologija će omogućiti da se prevaziđe ovo ograničenje, da li je to nelinearna optika, upravljanje fazom, multipleksiranje modova, ili ćemo, pak, morati da sačekamo razvoj kvantne tehnologije? Dok je sasvim realno očekivati unapređenje menadžmenta faze i modova u skorijoj budućnosti, adekvatna kvantna tehnologija je još uvek daleko od praktičnih primena. Potencijalan proboj može se očekivati i u oblasti nelinearne optike, u pravcu razvoja sveoptičkih sistema prenosa.

Slika 1. Ilustracija trendova razvoja optičkih sistema prenosa i porasta potreba za njihovim kapacitetom [3].

Prvobitni optički telekomunikacioni sistemi sastojali su se iz kratkih veza čije su dužina i brzina prenosa bile ograničene slabljenjem i disperzijom signala. Sa razvojem Interneta javila se potreba za širokopojasnim prenosom i prenosom na velika rastojanja. Problem rastojanja rešen je optičkim pojačavačima i optoelektronskim pretvaračima koji su zamenili regenerativne elektronske pojačavače, dok je kapacitet proširen multipleksiranjem po talasnim dužinama i multipleksiranjem signala po vremenu (OTDM - Optical Time Division Multiplexing). Međutim, pojačavači pojačavaju i šum, pa se nivo signala mora podići da bi se održao zadovoljavajući odnos signal/šum. Sa druge strane, prostiranje signala velike snage dovodi do pojave nelinearnih efekata koji negativno utiču na performanse sistema [4].

Nelinearni efekti su nepoželjni u tehnologijama koje se koriste, jer obično usporavaju prenos i degradiraju odnos signal/šum, pa se u dugim linijama koje nose snažne signale ublažavaju raznim kompenzacionim mehanizmima. Međutim, isti nelinearni efekti se mogu iskoristiti za projektovanje i izradu ultrabrzih pasivnih i aktivnih optičkih komponenata u kojima se kontrola signala vrši pomoću svetlosti, čime se eliminiše potreba za konverzijom u električni signal.

U ovom radu daćemo pregled nelinearnih efekata koji se javljaju prilikom generacije, prenosa i kontrole optičkih signala. Razmotrićemo njihove primene u postojećim i potencijalne primene u budućim sveoptičkim sistemima, kao i negativne posledice koje nelinearnosti imaju na prenos signala. Na primeru osnovnog telekomunikacionog sistema (izvor – kanal – prijemnik) ilustrovaćemo raznovrsnost primena nelinearnih efekata i njihove prednosti koje bi mogle da dovedu do promene paradigme iz elektronske u optičku u ne tako dalekoj budućnosti.

2. NELINEARNI OPTIČKI EFEKTI

Nelinearni optički fenomeni nastaju usled zavisnosti optičkih osobina materijala od jačine elektromagnetnog polja svetlosti koje se kroz taj materijal prostire. Za njih ne važi princip superpozicije, što znači da se različiti optički talasi ne prostiru nezavisno kroz nelinearne optičke materijale, već se mora uzeti u obzir njihovo međusobno mešanje i generacija svetlosti na drugim frekvencijama.

Nelinearnost se modeluje nelinearnom zavisnošću vektora polarizacije materijala od vektora električnog polja svetlosti i elegantno se opisuje razvojem u red

(1)

gde je permitivnost vakuuma, linearna susceptibilnost i nelinearna susceptibilnost i-tog reda [5]. U opštem slučaju optička susceptibilnost je kompleksna tenzorska veličina ranga i+1. Realna susceptibilnost opisuje parametarske procese po završetku kojih kvantno stanje sistema ostaje nepromenjeno. Imaginarni deo susceptibilnosti opisuje neparametarske procese koji menjaju kvantno stanje sistema. Dok se tokom parametarskih procesa održava ukupna energija fotona, tokom neparametarskih procesa može doći do transfera energije između fotona i materijala, pa se optička sredina u prvom slučaju može posmatrati kao pasivni, a u drugom kao aktivni učesnik interakcije.

2.1. Parametarski procesi

Karakter parametarskih procesa određuje simetrija materijala kroz koji se prostire svetlost. Nelinearni procesi drugog reda dešavaju se samo u materijalima bez centralne simetrije i opisuju se drugim članom na desnoj strani jednačine (1). Među ovim procesima najbitnija je generacija zbira ili razlike frekvencija. Većina gasova, tečnosti i amorfnih supstanci, uključujući i najčešći optički materijal, staklo, ima centralnosimetričnu strukturu, pa je kod njih i nelinearnost drugog reda se ne javlja. Procesi trećeg reda javljaju se bez obzira na centralnu simetriju materijala i opisuju se članom u jednačini (1). Među najvažnije procese ove vrste spadaju četvorotalasno mešanje i zavisnost indeksa prelamanja od intenziteta svetlosti.

2.1.1. Generacija zbira i razlike frekvencija

Kako se u parametarskim procesima održava ukupna energija fotona, iz čestičnog modela svetlosti može se zaključiti da se pri interakciji dva signala različitih frekvencija mogu dobiti signali sa frekvencijama jednakim zbiru ili razlici frekvencija ulaznih signala (Slika 2). Proces je najefikasniji ako se signali slažu u fazi, tj. ako je propagaciona konstanta rezultujućeg moda jednaka zbiru vektora prostiranja ulaznih modova. Najpoznatija primena generacije zbira frekvencija je specijalan slučaj dupliranja frekvencije signala, tj. generacija drugog harmonika. Proces generacije razlike frekvencija nalik je pojačanju signala na nižim frekvencijama i koristi se u parametarskim pojačavačima i oscilatorima.

Slika 2. Generacija zbira ili razlike frekvencija.

Nelinearnost trećeg reda proizvodi sličan efekat mešanja signala, s tim da je broj kombinacija izlaznih signala veći nego kod nelienarnosti drugog reda. Karakterističan proces trećeg reda koji se koristi u modernim telekomunikacijama je četvorotalasno mešanje. Degenerisani slučaj ovog mešanja je sabiranje tri fotona da bi se generisao treći harmonik i obično se koristi za pretvaranje bliske infracrvene u ultraljubičastu svetlost. Karaktirističan je i slučaj sa fotonima iste frekvencije na ulazu koji generišu dva fotona, niže i više frekvencije, na izlazu. U praksi se ovaj proces stimuliše tako što se na ulaz dovodi jak pumpajući signal sa frekvencijom i slab signal sa frekvencijom , da bi se na izlazu pojačao signal sa frekvencijom i generisao novi sa frekvencijom .

Pomenuti nelinearni procesi su nepoželjni u postojećim optičkim mrežama jer dovode do „preslušavanja“ između kanala pri WDM-u. Sa druge strane, oni već nalaze praktične primene u razvoju parametarskih pojačavača, optičkih komponenata za konverziju talasne dužine i konjugaciju faze, kao i u merenju nelinearnosti i hromatske disperzije u optičkim vlaknima [6].

2.1.2. Zavisnost indeksa prelamanja od intenziteta svetlosti

Posebnu klasu efekata nelinearnosti trećeg reda čine oni pri kojima se indeks prelamanja materijala menja u zavisnosti od električnog polja svetlosti koja se kroz njega prostire. Ova zavisnost se može opisati jednačinom

, (2)

gde je optička konstanta nelinearnosti direktno proporcionalna susceptibilnosti trećeg reda . Pošto indeks prelamanja postaje nelinearan pri prostiranju optičkih signala većih snaga, njegovi efekti postaju neizbežni u sistemima prenosa, a posebno u onim zasnovanim na pojačanju signala.

Pozitivna nelinearnost ima efekat sabirnog, a negativna efekat rasipnog sočiva. Materijali koji se koriste za prenos signala u telekomunikacijama imaju pa pri prostiranju optičkih signala većeg intenziteta dolazi do njihovog samofokusiranja. Ovo dovodi do distorzije signala i lokalnog povećanja gustine energije. Kritičan slučaj nastaje kada je snaga ulaznog signala dovoljno velika da izazove kolaps impulsa, što se u praksi završava električnim probojem i trajnim oštećenjem materijala [7].

Mnogo veći uticaj na prenos signala ima nelinearna promena faze usled nelinearnosti indeksa prelamanja, tzv. sopstvena moduacija faze. Zavisnost faze od vremena dovodi do pojave novih frekvencija u spektru i naziva se frekvencijski čirp (frequency chirp). Promena frekvencije opisuje se jednačinom

, (3)

Gde je nelinearni fazni pomak, vreme u referentnom sistemu vezanom za svetlosni impuls, efektivna dužina vlakna usled gubitaka, efektivna nelinearna dužina i normalizovana amplituda signala. Kako je širenje spektra direktno srazmerno promeni faze u vremenu, dolazi do stalne generacije novih frekvencija i izobličavanja impulsa. Najupečatljiviji efekat je stvaranje strme silazne ivice impulsa koji bi u nedisperzivnoj sredini bez gubitaka mogao dovesti do šoka sličnog onom u akustici. U praksi, međutim, disperzija i slabljenje sprečavaju ovaj ekstremni efekat.

Može se pokazati da u materijalu sa anomalnom disperzijom sopstvena modulacija faze čini prostiranje kontinualnog talasa nestabilnim. Ona izaziva stvaranje bočnih spektralnih linija, što za posledicu ima deljenje talasa na niz impulsa u vremenskom domenu. Ovaj efekat je u nelinearnoj dinamici poznat kao modulaciona nestabilnost.

Iako širenje spektra i modulaciona nestabilnost imaju negativne posledice po prenos signala, nelinearna modulacija faze je zapravo jedan od najviše eksploatisanih efekata u telekomunikacijama [1]. Bez nje bi solitonski prenos i sveoptičko preusmeravanje, regeneracija i generacija visokofrekventnih nizova ultrakratkih impulsa bili nezamislivi.

U prisustvu više jačih signala proces nelinearne modulacije faze ima generalniju formu. Nelinearni deo indeksa prelamanja jednog signala zavisi od jačine svih signala, tj. dolazi do unakrsne modulacije faze. Kontinualne signale i u ovom generalnom slučaju karakteriše modulaciona nestabilnost, dok je u sredini sa anomalnom disperzijom moguće istovremeno prostiranje više solitona. Sprezanje signala ima za posledicu preslušavanje i džiter (jitter) u amplitudi i vremenu koji degradiraju prenos i moraju se eliminisati. Sa druge strane, unakrsna modulacija faze koristi se za kompresiju impulsa, brzo preusmeravanje, konverziju talasne dužine za WDM, pasivni modeloking (mode locking) i demultipleksiranje u OTDM kanalima [8].

2.1.3. Solitoni

Pokazano je da se pod određenim uslovima prilikom propagacije optičkog impulsa u optičkom vlaknu može ostvariti balans nelinearnih efekata i disperzije, što dovodi do pojave zanimljivog fenomena poznatog pod imenom optički soliton. Prilikom prostiranja u idealnom optičkom vlaknu bez gubitaka optički soliton se može prostirati beskonačno dugo nepromenjen u prostornom i frekvencijskom domenu.

Najprostiji matematički model koji opisuje propagaciju optičkih impulsa kroz optičko vlakno bez gubitaka je nelinearna Šredingerova jednačina.

, (4)

gde je amplituda anvelope optičkog impulsa a parametar disperzije grupne brzine. Jednačina (4) je integrabilna, a soliton je njeno stacionarno i lokalizovano rešenje i ima oblik hiperboličnog sekanta [6, 9].

U optičkom vlaknu sa gubicima amplituda početnog impulsa sa solitonskim profilom opada tokom prostiranja, čime se umanjuju nelinearni efekti, te usled narušenog balansa sa disperzijom dolazi do širenja impulsa. Ovaj problem se prevazilazi korišćenjem tehnika za samoregeneraciju (EDFA pojačavačima i menadžmentom disperzije i/ili nelinearnosti [10]), tako da se optički solitoni mogu prostirati i do par hiljada kilometara (Slika 3).

Slika 3. Šematski prikaz prostiranja optičkog solitona sa menadžmentom disperzije (GVD – Group Velocity Dispersion).

2.2. Neparametarski procesi

Za razliku od parametarskih procesa, rezonantni apsorpcioni procesi i procesi rasejanja menjaju kvantnu strukturu materijala. Neparametarski procesi relevantni za telekomunikacije su nelinearna apsorpcija i stimulisano Ramanovo i Briluenovo rasejanje. Pritom se mora imati u vidu i Rejlijevo rasejanje koje je glavni uzrok gubitaka u optičkim vlaknima.

2.2.1. Saturaciona apsorpcija

Saturaciona apsorpcija je pojava smanjenja apsorpcionog koeficijenta materijala usled apsorpcije. Pošto favorizuju prostiranje svetlosti velikog intenziteta, nelinearni apsorberi se masovno koriste u generaciji kratkih laserskih impulsa. Za potrebe telekomunikacija oni se zatvaraju u Fabri-Peroove interferometre i koriste kao bistabilna kola. Sa ulazno-izlazne karakteristike jednostavnog sistema prikazane na Slici 4. vidi se da je pri porastu intenziteta ulaznog signala od nula do vrednosti , izlazni signal srazmeran ulaznom. Kada intenzitet ulaznog signala dostigne vrednost dolazi do naglog skoka intenziteta na izlazu. Pri opadanju intenziteta ulaznog signala, kada on padne ispod , dešava se nagli pad intenziteta na izlazu. Ukoliko se intenzitet ulaznog signala fiksira i postavi na nestabilan deo karakteristike, , na izlazu će se dobiti signal ako se na ulaz dovede , ili nula ako se blokira ulaz, čime je ostvarena funkcija kola koje pamti binarnu informaciju [5].

Slika 4. Ulazno-izlazna karakteristika prekidača na bazi saturacione apsorpcije.

2.2.2. Ramanovo, Briluenovo i Rejlijevo rasejanje

Ramanovo rasejanje nastaje usled zavisnosti polarizabilnosti molekula od rastojanja atoma u molekulu. Električno polje svetlosti uzrokuje vibracije molekula (oscilacije atoma oko centra mase molekula) na frekvenciji koje izazivaju promene polarizabilnosti molekula, što ima povratan uticaj na prostiranje svetlosti. Makroskopska manifestacija ovog efekta je modulacija indeksa prelamanja, a njen rezultat pojava novih frekvencija modulacije u spektru, Stoksove i anti-Stoksove , gde je frekvencija lasera, tj. upadnog polja. Stimulisano Ramanovo rasejanje je posledica povratne sprege između svetlosti na Stoksovoj frekvenciji i oscilacija molekula. Povratna sprega se ostvaruje preko izbijanja između Stoksove i frekvencije lasera koje stimuliše oscilacije molekula na frekvenciji i time pojačava frekvencijsku modulaciju svetlosnog signala (Slika 5).

Zbog visokog praga snage potrebnog za Ramanovo rasejanje (nekoliko stotina mW), do njega ne dolazi u tipičnim sistemima prenosa u kojima se prostiru signali od 10 mW po kanalu, već samo kod primena koje zahtevaju snažne lasere [6].

Slika 5. Šema stimulisanog Ramanovog rasejanja.

Stimulisano Briluenovo rasejanje ima isti princip stimulacije kao Ramanovo rasejanje, ali drugačiji fizički proces rasejanja. Fotoni se u ovom slučaju rasejavaju usled akustičnih talasa izazvanih promenom gustine materijala pod dejstvom električnog polja (eleketrostrikcija) ili termalnom ekspanzijom pri apsorpciji svetlosti. Pošto se upadni foton i akustični talas kreću u istom smeru, rezultantni signal je kontra-propagirajući Stoksov signal. Nivo signala pri kojem dolazi do Briluenovog rasejanja niži je od onog koji dovodi do Ramanovog rasejanja oko sto puta. Dok Briluenovo rasejanje može prouzrokovati modulacionu nestabilnost i optički haos, preciznom kontrolom ovog procesa mogu se proizvesti Briluenovi pojačavači i kontinualni i impulsni laseri u optičkim vlaknima [6].

Fotoni se rasejavaju i bez stimulišućih signala, usled nehomogenosti u samom materijalu. Primer za to je Rejlijevo rasejanje izazvano fluktuacijom orijentacije anizotropnih molekula. Pošto je reorijentacija molekula brza, a nema frekvencijske modulacije, ovo rasejanje se manifestuje kao znatno širenje spektra signala oko osnovne frekvencije. Rejlijevo rasejanje je osnovni mehanizam slabljenja u optičkom vlaknu.

3. PRIMENE U TELEKOMUNIKACIONIM SISTEMIMA

Nelinearni efekti koriste se u svim osnovnim delovima sistema za prenos signala: izvorima, kanalima prenosa i prijemnicima. Ovde ćemo navesti primere lasera, solitonskog prenosa i optičkog prekidača kao komponenata modernih ili budućih optičkih telekomunikacionih sistema.

3.1. Najduži laser na svetu

Zanimljiv primer upotrebe nelinearnih efekata u svetlosnim izvorima je najduži laser na svetu, dug 270 km [11, 12]. Pri konstrukciji ovog lasera, osnovni cilj istraživača bio je uspostavljanje dugačke veze bez gubitaka. Odsustvo gubitaka znatno umanjuje šum usled pojačane spontane emisije i omogućava prostiranje optičkih signala velike snage, čime podržava sistem prenosa zasnovan na nelinearnim efektima, npr. solitone. Ovakva veza je ostvariva u optičkom vlaknu sa Ramanovim pojačanjem tako što se gubici kontinualno kompenzuju pojačanjem duž vlakna.

Slika 6. Šema najdužeg lasera na svetu.

Ravnomerno pojačanje duž vlakna obezbeđeno je bidirekcionim pumpanjem i prisustvom dve Bragove rešetke (FBG) koje služe kao ogledala i reflektuju samo svetlost određene talasne dužine (λ_r=1455 nm), koja je duža od talasne dužine pumpajućeg lasera (λ_p=1365 nm) a kraća od talasne dužine izlaznog signala (λ_s=1550 nm), Slika 6. Ogledala propuštaju svetlost pumpi koje se dovode na oba kraja rezonatora i u vlaknu trpe Ramanovo rasejanje. Time generisana svetlost na λ_r=1455 nm zarobljena je u rezonatoru između rešetaka i služi kao pumpa u drugoj fazi Ramanovog pojačanja koje generiše signal na standardnoj telekomunikacionoj talasnoj dužini.

3.1.1. Solitonski prenos

Solitonski prenos informacija osim što omogućava propagaciju optičkih impulsa na velikim rastojanjima i efikasnu optičku obradu signala, pruža mogućnosti da se kodiranje informacija vrši koristeći više nivoa solitonske faze u okviru definisanog solitonskog informatičkog klastera (Slika 7a). Informatički klaster sastoji se od niza vremenskih solitona sa različitom fazom [13]. Na taj način kodiranje informacija ne mora biti binarno (0,1), već se može vršiti pomoću više simbola čime se znatno povećava kapacitet optičkih mreža. U primeru na Slici 7b ilustrovan je sistem za kodiranje informacija pomoću 4 simbola (0, 1, 2, 3) koji se realizuju pomoću 4 nivoa solitonske faze.

Prvu komercijalnu optičku mrežu zasnovanu na solitonskom prenosu podataka realizovala je kompanija Algety Telecom 2001. godine. Dve godine kasnije realizovana je optička linija bazirana na solitonskom prenosu sa menadžmentom disperzije a bez regeneracije transmisije između gradova Pert, Adelaide i Melburn u Australiji, u dužini od 5745 km sa kapacitetom od 10 Gbit/s [14].

Slika 7. a) Šematski prikaz solitonskog niza (klastera) sa više faznih nivoa i (b) primer zapisa sa 4 fazna nivoa.

3.1.2. Interferometarski prekidač

Elektro-optički modulatori koji se danas koriste kao prekidači u optičkim kolima rade na brzinama do 100 Gbit/s. Povećanje brzine prenosa informacija ka 1 Tbit/s, uslovilo je razvoj sveoptičkih kola za kontrolu (prekidanje, preusmeravanje, mutlipleksiranje) signala. Njihov rad zasniva se na nelinearnoj promeni faze usled Kerovog efekta, datoj jednačinom (3), pri čemu se kontrola vrši ili signalom koji se prenosi ili posebnim kontrolnim signalom, tj. sopstvenom ili unakrsnom modulacijom faze. Preslikavanje promene faze u promenu amplitude na izlazima prekidača postiže se interferometrijom.

Na Slici 8 prikazan je prekidač u vidu Mah-Zenderovog interferometra. Da bi se dobila razlika faze između grana interferometra, potrebno je asimetrizovati snage signala u njima. Ovo se u slučaju sopstvene fazne modulacije (SPM - self-phase modulation,) postiže asimetričnim sprežnicima (couplers) koji ulazni signal dele na nejednake signale na izlaznim portovima [15], a u slučaju unakrsne fazne modulacije (XPM - cross-phase modulation,) dovođenjem kontrolnog signala (pumpe) u jednu granu interferometra, bez obzira na simetriju sprežnika [8].

Slika 8. Interferometarski prekidač na principu nelinearne modulacije faze.

Brzi sveoptički prekidači na čipu

Većina kola koja su danas u upotrebi zasniva se na promeni faze usled elektro-optičkog efekta, bilo u optičkom vlaknu bilo na litijum-niobatskom ili poluprovodničkom čipu. Međutim, velike dužine vlakna potrebne za razvoj nelinearnosti (desetine metara), relativno spor odziv poluprovodnika i potreba za frekvencijama van telekomunikacionog opsega za upravljanje litijum-niobatskim čipom, predstavljaju prepreku u razvoju terabitne manipulacije optičkim signalima, te se javlja potreba za materijalima sa velikom nelinearnošću i brzinom odziva u telekomunikacionom opsegu. Zato se sve veći broj istraživanja bavi staklima obogaćenim sulfidima, teluridima i selenidima (chalcogenide glasses) koji imaju veoma visoke koeficijente nelinearnosti [16]. Dobar primer materijala koji zadovoljava sve gorenavedene uslove je staklo sa arsenik-trisulfidom (As₂S₃). Od njega je 2009. konstruisan optički demuliplekser signala na principu četvorotalasnog sprezanja koji demultipleksira signal od 640 Gbit/s u pakete od 10 Gbit/s. Slab signal na frekvenciji meša se sa jakim signalom pumpe na frekvenciji pri čemu nastaje novi signal na frekvenciji . Pošto se konverzija odvija samo kada je prisutna pumpa, kontrolom frekvencije ponavljanja impulsa pumpe može se kontrolisati frekvencija demultipleksiranja [17]. Pored intenzivnih primena u konstrukciji integrisanih optičkih kola, visoko nelinearni materijali sve više se koriste i u izradi optičkih vlakana [18].

4. ZAKLJUČAK

Analiza trendova porasta potreba za kapacitetom i ograničenja postojećih optičkih telekomunikacionih sistema jasno pokazuje da je pred nama period u kome se može očekivati uvođenje nove tehnologije koja bi prevazišla ograničenja postojeće. Tehnologija zasnovana na nelinearnoj optici izdvaja se kao jedna od najrealnijih opcija. Nelinearni efekti se već primenjuju u svim delovima optičkih sistema prenosa, od izvora do prijemnika, a konstruisani su i optički uređaji koji rade terabitnim brzinama. Ubrzano se razvijaju novi nelinearni optički materijali i fotonski kristali, a paralelno napreduju i tehnike za preciznu obradu optičkih materijala kao što su litografija i femtosekundna laserska inskripcija, pomoću kojih je već moguće vršiti obradu optičkih materijala na nano skali. Sudeći po ovim trendovima napretka tehnologije, pred nama je uvođenje novog koncepta u optičkim komunikacijama po kome će „svetlost upravljati svetlošću“ i u kome će značajnu ulogu igrati nelinearna optika.

Literatura

[1] S. Radic, D. J. Moss, B. J. Eggleton, Nonlinear Optics in Communications in I. P. Kaminow, T. Li, A. E. Willner, Optical Fiber Telecommunications V A: Components and Subsystems, Elsevier Inc., US, 2008, pp. 759-761

[2] Nippon Telephone and Telegraph Corporation, 14-Tbit/s over a Single Optical Fiber - Demonstration of World’s Largest Capacity, NTT Technical Review, vol. 4, 2006, p. 53

[3] D. J. Richardson, Science, vol. 330, 2010, pp. 327-328

[4] Thomas Schneider, Nonlinear Optics in Telecommunications, Springer‐Verlag Berlin Heidelberg, 2004, p 2.

[5] R. W. Boyd, Nonlinear Optics, Academic Press, Elsevier, 3^rd edition, 2008.

[6] G. P. Agrawal. Nonlinear Fibre Optics. Academic Press, Elsevier, 3^rd edition, 2001.

[7] J. Marburger, Self-focusing: Theory, Progress in Quantum Electronics, vol. 4, 1975, pp. 35-110

[8] G. P. Agrawal, Self-phase modulation in optical fibre communications: good or bad?, Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO 2007, Baltimore, US, http://www.optics.rochester.edu/users/gpa/CLEO2007.pdf

[9] Y. S. Kivshar, G. P. Agrawal, Optical Solitons: From Fibers to Photonic Crystals, Academic Press, 2003

[10] S. K. Turitsyn, G. Bale, and M.P. Fedoruk, Dispersion-managed solitons in fibre systems and lasers, Physics Reports, 2012,

http://dx.doi.org/10.1016/j.physrep.2012.09.00

[11] Juan Diego Ania-Castanon, Tim J. Ellingham, R. Ibbotson, X. Chen, L. Zhang, and Sergei K. Turitsyn, Physical Review Letters, vol. 96, 2006, pp. 023902-5

[12] S. K. Turitsyn, J. D. Ania-Castanon, S. A. Babin, V. Karalekas, P. Harper, D. Churkin, S. I. Kablukov, A. E. El-Taher, E. V. Podivilov, and V. K. Mezentsev, 270-km Ultralong Raman Fiber Laser, Physical Review Letters, vol.103, 2009, pp. 133901-3

[13] Jaroslaw E. Prilepsky, Stanislav A. Derevyanko, Sergei K. Turitsyn, Physical Review Letters, 2012, 1vol. 08, pp. 183902-5

[14] A. R. Pratt, P. Harper, S. B. Alleston, P. Bontemps, B. Charbonnier, W. Forysiak, L. Gleeson, D. S. Govan, G. L. Jones, D. Nesset, J. H. B. Nijhof, I. D. Phillips, M. F. C. Stephens, A. P. Walsh, T. Widdowson, N. J. Doran, 5,745 km DWDM transcontinental field trial using 10 Gbit/s dispersion managed solitons and dynamic gain equalization, Optical Fiber Communications Conference, OFC 2003, vol.3, PD26 - P1-3

[15] B. K. Nayar, N. Finlayson, N. J. Doran, S. T. Davey, D. L. Williams, J. W. Arkwright, Optics Letters, vol. 16, 1991, pp. 408-410

[16] A Zakery, S. R. Elliott, Optical properties and applications of chalcogenide glasses: a review, Journal of Non-Crystaline Solids, vol. 330, 2003, pp. 1-12

[17] M. Galili, J. Xu, H. C. Mulvad, L. K. Oxenløwe, A. T. Clausen, P. Jeppesen, B. Luther-Davies, S. Madden, A. Rode, D.-Y. Choi, M. Pelusi, F. Luan, B. J. Eggleton, Breakthrough switching speed with an all-optical chalcogenide glass chip: 640 Gbit/s demultiplexing, Optics Express, vol. 17, 2009, pp. 2182-2187

[18] D. Mechin, L. Brilland, J. Throles, Q. Coulombier, D. M. Nguyen, M. Thual, T. Chartier, Next-generation fibres: Chalcogenide photonic-crystal fibers expand nonlinear applications, Laser Focus World, vol. 46, iss. 5, 2010

Autori

Jovana Petrović je diplomirala na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu a doktorirala na Aston Univerzitetu u Birmingemu, Velika Britanija. Nakon posledoktorskog usavršavanja na univerzitetima Aston, Oksford i u Institutu LENS u Firenci, priključila se Grupi za nelinernu fotoniku u Institutu za nuklearne nauke „Vinča” kao rukovodilac eksperimentalne laboratorije. Dala je naučni doprinos razvoju optičkih materijala, senzora u optičkim vlaknima i fizici ultra-hladnih atoma.

Ljupčo Hadžievski je diplomirao i magistrirao na Elektrotehničkom fakultetu, a doktorirao na Fizičkom fakultetu u Beogradu. Zaposlen je u Institutu za nuklearne nauke „Vinča” u zvanju naučni savetnik. Rukovodilac je Grupe za nelinearnu fotoniku. Dao je naučni doprinos oblasti nelinerne plazma fizike, nelinearne optike i Boze-Ajnštajnove kondenzacije.

Sergei Turitsyn je diplomirao i doktorirao na Novosibirskom univerzitetu, Rusija. Radio je u Institutu za teorijsku fiziku u Diseldorfu, Nemačka, a od 1998. godine profesor je na Aston Univerzitetu, Birmingem, Velika Britanija. Od 2011. godine je direktor Aston Instituta za fotonske tehnologije. Istaknuti je član Američkog optičkog društva i dobitnik prestižne nagrade „Volfson“ Kraljevskog društva Velike Britanije. Dao je značajan doprinos razvoju nelinearne optike i solitonske teorije.