Ευρυζωνικά φωτονικά συστήματα παραγωγής και επεξεργασίας σήματος με ισχυρά μη γραμμικές οπτικές ίνες, με εφαρμογή σε τηλεπικοινωνίες και βιοϊατρική απεικόνιση
Authors: Μπακόπουλος Παρασκευάς 
Published: August 2021

Η έρευνα της παρούσας διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη φωτονικών συστημάτων παραγωγής και επεξεργασίας ευρυζωνικού σήματος, βασισμένων σε ισχυρά μη-γραμμικές οπτικές ίνες, για εφαρμογές στις τηλεπικοινωνίες και στη βιοϊατρική απεικόνιση. Σε πρώτο στάδιο προσδιορίζονται οι τρεις βασικοί τύποι υποσυστημάτων τα οποία αποτελούν δομικά στοιχεία για τα συστήματα που αναπτύσσονται στη συνέχεια: υποσυστήματα παραγωγής στενών οπτικών παλμών, υποσυστήματα βασισμένα σε ισχυρά μη-γραμμικές οπτικές ίνες για την υλοποίηση ευρυζωνικών λειτουργιών και υποσυστήματα φασματικής επιλογής. Συγκεκριμένα, περιγράφεται η σχεδίαση και υλοποίηση τριών υποσυστημάτων παραγωγής στενών οπτικών παλμών και προσδιορίζονται οι κατάλληλες εφαρμογές ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. Στη συνέχεια, ερευνώνται υποσυστήματα παραγωγής και επεξεργασίας ευρυζωνικού οπτικού σήματος με ισχυρά μη-γραμμικές ίνες. Εξετάζονται οι κυριότερες σύγχρονες τεχνολογίες κατασκευής μη-γραμμικών ινών και προσδιορίζονται οι κατάλληλες εφαρμογές για κάθε τύπο ίνας με γνώμονα τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του. Κατόπιν, και με βάση τα συμπεράσματα της μελέτης, σχεδιάζεται κύκλωμα φασματικής διεύρυνσης καθώς και κύκλωμα οπτικής μεταγωγής. Το κύκλωμα φασματικής διεύρυνσης βασίζεται στο φαινόμενο παραγωγής υπερσυνεχούς φάσματος, το οποίο μελετάται διεξοδικά ενώ παράλληλα αναπτύσσεται προσομοιωτικό μοντέλο που προσεγγίζει με ακρίβεια τα πειραματικά αποτελέσματα. Το κύκλωμα οπτικής μεταγωγής σχεδιάζεται ως συμβολομετρικός αμιγώς-οπτικός διακόπτης, βασισμένος στη δομή του μη-γραμμικού συμβολομέτρου υπέρ-υψηλών ταχυτήτων τύπου UNI. Τέλος, σχεδιάζονται υποσυστήματα φασματικής επιλογής κατάλληλα για πολύ-κυματικές πηγές. Εξετάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των κυριότερων σύγχρονων τεχνολογιών κατασκευής περιοδικών φίλτρων Fabry-Pérot και προσδιορίζονται με ακρίβεια οι σχεδιαστικές παράμετροι των φίλτρων για κάθε εφαρμογή, με τη βοήθεια μοντέλου προσομοίωσης που αναπτύσσεται για αυτό το σκοπό. Σε πρώτη φάση, τα κυκλώματα φασματικής επιλογής υλοποιούνται για την αναβάθμιση του ρυθμού λειτουργίας παλμικού laser από τα 12.5 ή 25 GHz στα 50, 100, 200 και 400 GHz. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τρία συστήματα τηλεπικονωνιών βασισμένα στα παραπάνω δομικά στοιχεία: α) Πολύ-κυματικές οπτικές πηγές συνεχούς κύματος για οπτικά δίκτυα πολυπλεξίας DWDM, με απόσταση καναλιών 12.5, 25, 50, 100, 200 και 400 GHz, βασισμένες στο φαινόμενο δημιουργίας υπερσυνεχούς φάσματος σε μη-γραμμική ίνα φωτονικών κρυστάλλων με επακόλουθη φασματική επιλογή σε φίλτρο Fabry-Pérot, β) Πολύ-κυματική παλμική πηγή ρυθμού λειτουργίας 100 GHz βασισμένη στο φαινόμενο της παραγωγής υπερσυνεχούς φάσματος με επακόλουθη διαμόρφωση του φάσματος, και γ) Αμιγώς οπτικός διακόπτης μεταγωγής 2x2 βασισμένος σε τροποποιημένη αρχιτεκτονική του μη-γραμμικού συμβολομέτρου UNI, υλοποιημένος με μόλις 80 εκατοστά μη-γραμμικής ίνας τύπου βισμουθίου. Στη συνέχεια περιγράφεται η ανάπτυξη συστημάτων παραγωγής σήματος για εφαρμογές βιοϊατρικής απεικόνισης. Αναπτύσσεται διχρωματική οπτική πηγή κατάλληλη για παραγωγή ακτινοβολίας THz με την τεχνική της φωτομίξης (difference frequency generation - DFG). Η οπτική πηγή βασίζεται επίσης στο φαινόμενο της παραγωγής υπερσυνεχούς φάσματος, με επακόλουθη απομόνωση δύο φασματικών συνιστωσών. Παρουσιάζονται τεχνικές ρύθμισης της συχνότητας που παράγονται μέσω της οπτικής πηγής DFG και εφαρμόζονται στην πηγή που υλοποιήθηκε, ώστε να ρυθμιστεί η συχνότητα του παραγόμενου σήματος στις τιμές 396, 792 1188 και 2000 GHz. Τέλος, διερευνάται μέσω προσομοιώσεων η δυνατότητα τροποποίησης της οπτικής πηγής DFG για την επίτευξη παλμικής λειτουργίας.