Нелінійні оптичні явища в одномодових волокнах

Намагання збільшити довжини пасивних ділянок ВОЛЗ (тобто без регенераторів та оптичних підсилювачів) зумовили необхідність введення у волокно великої оптичної потужності. Проте було показано, що при потужності випромінювання в декілька мВт і вище починають виникати та впливати на якість зв’язку нелінійні оптичні явища. Наприклад, для волокна з перерізом серцевини 10 мкм при потужності випромінювання близько 10 мВт густина випромінювання складає 1.27 10⁴ Вт/см². Це вже достатня потужність для того, щоб інтенсивність випромінювання впливала на показник заломлення та коефіцієнт поглинання у волокні. Залежність коефіцієнта заломлення від інтенсивності призводить до декількох ефектів.

1.6.1. Фазова самомодуляція (ФСМ) та перехресна фазова модуляція (ФКМ)

Одним з перших нелінійних ефектів, якій починає проявлятися при потужності оптичного сигналу близько 8-10 мВт, є самомодуляція, або автомодуляція фази оптичної несучої – ФСМ (SPM). Це явище спостерігається при зміні показника заломлення. Зауважимо, що енергія в сигналі передається порціями (імпульсами). Отже, різні складові імпульсу поширюються з різними константами розповсюдження. Це спричинює розширення імпульсу. Очевидно, що при цьому відбувається розширення спектра сигналу. Самомодуляція фази суттєво проявляється при тривалості імпульсів пс. При тривалості імпульсів порядку 10-20 пс розширення може досягати двох-трьох та більше разів. Крім цього, на фронтах імпульсів можуть виникати осциляції (див. рис. 1.6.1).

Якщо у волокні розповсюджуються дві оптичні хвилі і кожна з них має потужність близько 10 мВт і більше, то нелінійність середовища викликає їх взаємодію. При цьому потужність однієї з хвиль викликає модуляцію не тільки власного сигналу, а й сусіднього. Природно, що даний вплив має взаємний характер та називається перехресною фазовою модуляцією або крос-модуляцією ФКМ (CPM).

Повернемося до явища самомодуляції фази однієї світлової хвилі. Виникнення осциляцій на фронтах імпульсу викликане так званою хвилевою нестійкістю. Як зазначалось, при ФСМ відбувається розширення спектра оптичного імпульсу. При цьому більш довгохвильові складові спектра просуваються з більш високою швидкістю порівняно з короткохвильовими. Ці складові спектра інтерферують, чим і викликаються осциляції. Оскільки середовище в даному випадку нелінійне, зсув частот призводить до виникнення нових частот і . Отже, крім двох складових у спектрі з’являється ще дві. При їх подальшому розповсюдженні цих компонент спектра відбувається їх взаємодія, що призводить до ускладнення процесу та збагаченню спектра новими складовими.

Аналогічні явища відбуваються і в тому випадку коли у волокно введені два оптичні сигнали на різних довжинах хвиль. Явище виникнення двох додаткових оптичних частот – це так зване явище чотирихвильового змішування (FWM), яке проявляється у вигляді перехресних завад у системах із багатохвильовим ущільненням (WDM).

Як вже зауважувалось, до перехресних завад у системах з багатохвильовим ущільненням призводить і крос-фазова модуляція. Ці завади зростають із зменшенням частотного інтервалу в сітці частот для систем з спектральним ущільненням. Розглянуті явища особливо проявляються при повному узгодженні констант розповсюдження хвиль, які введені у хвилевід, тобто у волокон із нульовою дисперсією. Пояснюється це тим, що в оптичному волокні з нульовою дисперсією існують оптимальні умови для того, щоб оптичні складові з меншою частотою мали більшу швидкість розповсюдження, ніж високочастотні складові. За рахунок цього перші можуть зустрічатися з другими, створювати биття і осциляції на фронтах імпульсів, розширюючи при цьому спектр сигналу. Таким чином, враховуючи нелінійні явища для систем із багатохвильовим ущільненням, доцільно застосовувати одномодові волокна з ненульовою дисперсією з невеликим нахилом дисперсійної характеристики.

1.6.2. Вимушене комбінаційне (Раманське) розсіяння ВКР (SRS) і розсіяння Мандельштама-Бриллюена ВРМБ (SBS)

Вимушене комбінаційне розсіяння ВКР, яке інакше називається розсіянням Рамана-Мандельштама, виникає у волокні тоді, коли потужність досягає певного відносно високого порога. Наближене значення порогової потужності визначається співвідношенням:

, (1.6.1)

де – площа поперечного перерізу в см², - коефіцієнт втрат у см^-1.

Розрахунок за цією формулою для одномодового волокна із затуханням дБ/км і діаметром 10 мкм дає значення порогової потужності 1.4 Вт (при довжині волокна 5 км). При збільшенні довжини волокна цей поріг швидко знижується. Для довжини того самого волокна 20 км порогова потужність знижується до 0.6 Вт. З точки зору фізики ВКР виникає при взаємодії фотонів, які проходять через середовище з молекулами та атомами даного середовища. При цьому можуть виникати ситуації, коли молекули поглинають частину енергії випромінювання, що проходить. У результаті, якщо фотон мав частоту , то після зіткнення з молекулою і передачі їй частини енергії енергія фотона зменшується на певну величину . Отже, після взаємодії випромінювання буде мати дві частоти і . Друга складова буде помітною тоді, коли енергія початкового випромінювання досягає рівня, вищого від порогового. Одним з важливих властивостей ВКР є великий частотний діапазон взаємодії випромінювання, що проходить через середовище з молекулами та атомами речовини. Для кварцу він сягає десятків терагерц. При аналізі ВКР було введено коефіцієнт комбінаційного підсилення , що залежить від складу речовини і може змінюватися за рахунок елементів, якими легується речовина. Для кварцового волокна він максимальний на частоті зміщення ТГц. Частота має назву стоксової компоненти. При збільшенні потужності або довжини взаємодії виникають друга, третя і т.д. стоксови компоненти ( , і т.д.). Крім цього, при перевищенні певного порогу потужності з’являються й високочастотні компоненти , , і т.д. та спектр зсувається в сторону більш коротких довжин хвиль (антістоксові компоненти).

Вимушене розсіяння Мандельштама-Бриллюена ВРМБ (SBS)

Зміна енергетичних квантових станів молекул і атомів при достатньо високому рівні потужності проявляється в тому, що виникають коливні рухи молекул, які приводять до флуктуацій густини речовини, так званих акустичних фононів. На цих фононах виникає нелінійне розсіяння світла (фотони віддають частину енергії акустичним фононам). Як наслідок у спектрі випромінювання з’являються нові компоненти, які за аналогією з ВКР називають стоксовими. На відміну від ВКР, ВРМБ виникає при значно нижчих потужностях і направлене в бік, протилежний розповсюдженню інформаційного сигналу. При тих самих значеннях і , що й для ВКР, порогова потужність ВРМБ на три порядки нижча і для волокна довжиною 5 км складає 1.44 мВт. У випадку коротких імпульсів ця потужність підіймається до 10 мВт. Додамо, що частотний зсув оптичної несучої при ВРМБ складає величину 10-15 ГГц при ширині спектра ~ 20 МГц. Проте, якщо у світловоді є в наявності неоднорідності у вигляді вигинів, стиску, розтягнення, то спектр ВРМБ може досягати 100-500 МГц. Цей факт використовується в діагностичній апаратурі для виявлення механічних впливів на оптичний кабель.

У системах ВОЛЗ ВРМБ проявляється в підвищенні затухання оптичного сигналу, виникненні відносно низькочастотної модуляції. Основний вплив ВРМБ полягає в тому, що розсіяне у напрямку джерела випромінювання впливає на лазер, створює паразитну модуляцію випромінювання, яка проявляється, насамперед, у вигляді шуму.