Phase-sensitive amplification of an optical signal in the modulation instability sidebands with single-frequency pump

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background and Objectives: The use of optical amplifiers in optical communications systems is currently of great interest. An optical signal can be amplified using semiconductor amplifiers, erbium or Raman amplifiers. Unfortunately, a linear laser amplifier adds spontaneous emission noise to the signal, degrading the signal-to-noise ratio. The use of phase-sensitive parametric amplifiers allows increasing the signal-to-noise ratio. Phase-sensitive amplifiers provide phase and amplitude squeezing that gives additional opportunities for signal regeneration and coding. Phase-sensitive amplification can be realized using four-wavemixing in highly nonlinear fibers. The resonant frequency for the parametric gain depends on the phase matching conditions for interacting waves. In real fibers, the resonant frequency is randomly shifted by fluctuations of the fiber dispersion. Dispersion fluctuation leadstothe degradation ofthe gain and narrowing ofthe gain bandwidth. Resonantfrequenciesforthe parametric gain can be extended using diameter modulation along the fiber length. Modulation of the fiber diameter gives rise to the modulation of the fiber dispersion. Periodic variation of the fiber dispersion leads to the excitation of the multipeak modulation instability spectrum. The signal wave can be amplified in modulation instability sidebands. Previous studies of the parametric gain in dispersion oscillating fibers are focused on the phase-insensitive amplification. In the present work, the phase-sensitive amplification in modulation instability sidebands is considered. Materials and Methods: We consider a truncated three-wave model for the parametric amplification of a continuous signal in the presence of strong single-frequency pump wave and weak idler wave. The dispersion and nonlinearity coefficients are calculated for the highly-nonlinear optical fiber with the W-shaped refractive index cross-section. Using numerical simulation, the gain coefficient for the signal wave was calculated in the terahertz frequency detuning range. Both the sine-wave modulation and the multi-frequency modulation of the fiber dispersion are considered. Results: We have found that the phase-sensitive amplification can be realized in high-order modulation instability sidebands. Single-frequency pump is sufficient to excite quasi-phase-matching sidebands. The amplification or depletion of the signal wave depends both on the individual phases of the interacting waves and on the phase of the dispersion oscillation. This effect makes it possible to manipulate the position of the depletion bands within the modulation instability sidebands. Resonant frequencies of the modulation instability sidebands depend on the modulation period. But the gain bandwidth depends on the type of modulation. Multifrequency modulation allows extending the gain bandwidth. We have found that high-order modulation instability sidebands can contain several narrow depletion bands, which frequency depends on the phases of the interacting waves and the phase of the dispersion oscillation. Conclusion: Modification of the phase-matching conditions in optical fibers with a variable dispersion allows improving the performance of parametric amplifiers. We have proposed the use of dispersion oscillating fiber for the generation of a comb of multiple spectral sidebands with phase-sensitive gain. When compared with the other possible schemes such as phase matching induced by the fourth-order dispersion coefficient, we expect that our proposed technique is more tolerant with respect to the longitudinal stochastic fluctuations of the fiber properties.

About the authors

Andrey Ivanovich Konyukhov

Saratov State University

410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Leonid Arkad'evich Melnikov

Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin

77, Politechnicheskaya str., Saratov, 410054, Russia

References

  1. Huang J. Parametric amplifiers in optical communication systems: From fundamentals to applications // Optical amplifiers – a few different dimensions / ed. P. K. Choudhury. Rijeka : Intech Open, 2018. P. 39–65. https://doi.org/10.5772/intechopen.73696
  2. Tong Z., Lundstrom C., Andrekson P. A., Karlsson M., Bogris A. Ultralow noise, broadband phase-sensitive optical amplifiers, and their applications // IEEE J. of Selec. Top. in Quant. Electron. 2012. Vol. 18, iss. 2. P. 1016–1032. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2011.2136330
  3. Lundstrom C., Corcoran B., Karlsson M., Andrekson P. A. Phase and amplitude characteristics of a phase-sensitive amplifier operating in gain saturation // Opt. Express. 2012. Vol. 20, iss. 19. P. 21400–21412. https://doi.org/10.1364/OE.20.021400
  4. Takanashi N., Inoue A., Kashiwazaki T., Kazama T., Enbutsu K., Kasahara R., Umeki T., Furusawa A. All-optical phase-sensitive detection for ultra-fast quantum computation // Opt. Express. 2020. Vol. 28, iss. 23. P. 34916–34926. https://doi.org/10.1364/OE.405832
  5. Marhic M. E., Andrekson P. A., Petropoulos P., Radic S., Peucheret C., Jazayerifar M. Fiber optical parametric amplifiers in optical communication systems // Laser & Photonics Reviews. 2014. Vol. 9. P. 50–74. https://doi.org/10.1002/lpor.201400087
  6. McKinstrie C. J., Radic S. Phase-sensitive amplification in a fiber // Opt. Express. 2004. Vol. 12, iss. 20. P. 4973–4979. https://doi.org/10.1364/OPEX.12.004973
  7. Agrawal G. P. Nonlinear fiber optics. 5th ed. Oxford : Academic Press, 2013. 648 p.
  8. Smith N. J., Doran N. J. Modulational instabilities in fibers with periodic dispersion management // Opt. Lett. 1996. Vol. 21, iss. 8. P. 570–572. https://doi.org/10.1364/OL.21.000570
  9. Droques M., Kudlinski A., Bouwmans G., Martinelli G., Mussot A. Dynamics of the modulation instability spectrum in optical fibers with oscillating dispersion // Phys. Rev. A. 2013. Vol. 87, iss. 1. P. 013813-7. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.87.013813
  10. Feng F., Sysoliatin A., Chembo Y. K., Fatome J., Wabnitz S., Finot C. Wavelength conversion and temporal compression of pulse train using dispersion oscillating fibre // Electronics Letters. 2014. Vol. 50, iss. 10. P. 768–770. https://doi.org/10.1049/el.2014.0627
  11. Mussot A., Conforti M., Trillo S., Copie F., Kudlinski A. Modulation instability in dispersion oscillating fibers // Adv. Opt. Photon. 2018. Vol. 10, iss. 1. P. 1–42. https://doi.org/10.1364/AOP.10.000001
  12. Finot C., Fatome J., Sysoliatin A., Kosolapov A., Wabnitz S. Competing four-wave mixing processes in dispersion oscillating telecom fiber // Opt. Lett. 2013. Vol. 38, iss. 24. P. 5361–5364. https://doi.org/10.1364/OL.38.005361
  13. Cappellini G., Trillo S. Third-order three-wave mixing in single-mode fibers: Exact solutions and spatial instability effects // J. Opt. Soc. Am. B. 1991. Vol. 8, iss. 4. P. 824–838. https://doi.org/10.1364/JOSAB.8.000824
  14. Sysoliatin A. A., Gochelashvili K. S., Konyukhov A. I., Melnikov L. A., Stasyuk V. A. All-optical fiber soliton processing using dispersion oscillating fiber // Laser Phys. Lett. 2020. Vol. 17. Article number 065105. P. 1–9. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab8472
  15. Sysoliatin A., Senatorov A., Konyukhov A., Melnikov L., Stasyuk V. Soliton fission management by dispersion oscillating fiber // Opt. Express. 2008. Vol. 15, iss. 25. P. 16302–16307. https://doi.org/10.1364/OE.15.016302
  16. Fourcade-Dutin C., Bassery Q., Bigourd D., Bendahmane A., Kudlinski A., Douay M., Mussot A. 12 THz flat gain fiber optical parametric amplifiers with dispersion varying fibers // Opt. Express. 2015. Vol. 23, iss. 8. P. 10103–10110. https://doi.org/10.1364/OE.23.010103

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».