Нелинейные явления в оптическом волокне

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нелинейные явления в  оптическом волокне

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………………………...3         

1. Нелинейные явления в волокне………………………………………….....4
2. Виды нелинейных явлений………………………………………….....……6
1. Нелинейное преломление………………………………….………..6
1. Фазовая самомодуляция…………………………………….………6
2. Фазовая кросс-модуляция…………………………………………...7
2. Вынужденное рассеяние………………………………………….…8
1. Вынужденное рассеяние мандельштама-бриллюэна (ВРМБ)……8
2. Вынужденное рассеяние рамана……………………..……………..9

2.3. Четырехволновое смешение………………………………..…………10

 

Заключение………………………………………………………..…..11             

Библиография…………………………………………………………12       

ВВЕДЕНИЕ

С увеличением энергетической нагрузки и цифровых скоростей, приходящихся на волоконно-оптический кабель (ВОК), в нем стали проявляться различного рода нелинейные явления, ограничивающие пропускную способность самого оптического волокна, а также протяженность как аналоговых, так и цифровых ВОЛС.

Целью данной исследовательской работы является ознакомление с основными нелинейными явлениями, возникающими в волоконно-оптическом кабеле.

Нелинейные явления в оптическом волокне (ОВ) изучались задолго до использования ВОЛС. Тем не менее, серьезное внимание им начали уделять с того момента, когда стали увеличиваться информационные скорости в оптическом волокне, протяженности ВОЛС, число длин волн, передаваемых по одному волокну, а также уровни оптической мощности. Если на ранней стадии развития ВОЛС единственными проблемами являлись погонные оптические потери и волоконно-оптическая дисперсия, то сейчас на первое место стали выходить проблемы, связанные с нелинейными явлениями, особенно остро проявляющиеся в системах DWDM при передаче высокоскоростной цифровой информации.

Впервые нелинейные оптические явления были обнаружены выдающимся русским ученым С.И. Вавиловым и  его сотрудниками в 20-х годах ХХ столетия, а более серьезное внимание на нелинейности в волоконно-оптическом кабеле обратили при подводной прокладке международного трансатлантического ВОК, предназначенного для передачи высокоскоростной цифровой информации. 

 

 

1. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ВОЛОКНЕ

Нелинейные взаимодействия между оптическим сигналом и оптоволоконной средой передачи стали рассматриваться, как только была увеличена мощность оптического сигнала. Последняя  была увеличена для того, чтобы  компенсировать большие вносимые потери при использовании оборудования WDM и для достижения больших длин секций. Следствием этого стала необходимость рассматривать влияние нелинейных эффектов на участках, где регенерация отсутствует, и там, где используются системы WDM и DWDM.

Нелинейные явления обусловлены нелинейным откликом вещества на увеличение интенсивности светового потока. В результате оптические характеристики среды (электронная поляризуемость, показатель преломления, коэффициент поглощения) становятся функциями напряженности электрического поля световой волны, так что поляризация среды начинает нелинейно зависеть от напряженности поля, а волны с различными частотами и направлениями распространения - оказывать влияние друг на друга.

Нелинейные явления в  оптическом волокне усиливаются  с ростом интенсивности поля, т. е. мощности потока, приходящейся на единицу  площади поперечного сечения  сердцевины волокна. Чтобы увеличить  дальность и скорость передачи, стремятся  уменьшить накопленную дисперсию  кабеля, поэтому применяют одномодовое  волокно, имеющее малый диаметр  сердцевины (10 мкм и менее). Однако использование одномодового носителя, а также низкие оптические потери могут приводить к возникновению  высокой плотности потока излучения  на достаточно протяженных участках.

Нелинейные эффекты в  волоконной оптике подобны нелинейным эффектам в других физических системах (механических или электронных). Они  порождают генерацию паразитных гармоник на частотах равных сумме  или разности основных частот системы. Эти дополнительные сигналы приводят к непредсказуемым явлениям потерь в оптических сетях связи.

Нелинейность волокна  не является дефектом производства или  конструкции волокна. Это неотъемлемое свойство материальной среды при  распространении в ней любой  электромагнитной энергии. Как разработчикам, так и операторам волоконно-оптических сетей связи следует учитывать  нелинейные эффекты из-за высокой  когерентности используемого лазерного  излучения. При заданном уровне передаваемой мощности напряженность электрического поля возрастет с увеличением  степени когерентности излучаемых волн.

Таким образом, в системах WDM c высокой степенью когерентности  оптические сигналы даже умеренной  мощности могут приводить к нелинейным явлениям.

Нелинейность волокна  становится ощутимой, когда интенсивность  лазерного излучения (мощность на единицу  поперечного сечения) достигает  порогового значения. Кроме того, влияние  нелинейностей обнаруживается после  прохождения сигналом некоторого пути по волокну в зависимости от параметров, конструкции волокна и условий  его работы.

На рисунке 1 показано, как  проявляется нелинейность при высоком уровне мощности.

Рисунок 1

 

 

2. ВИДЫ НЕЛИНЕЙНЫХ ЯВЛЕНИЙ

 

1. . НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕЛОМЛЕНИЕ

 

Нелинейное преломление вызвано зависимостью показателя преломления сердцевины волокна, а значит, и фазы выходного сигнала от интенсивности оптического сигнала.

 

Когда мощность сигнала достаточно велика, ее колебания приводят к  фазовой самомодуляции (ФСМ) и фазовой  кросс-модуляции (ФКМ). В первом случае сигнал воздействует сам на себя, во втором - на сигнал в другом канале.

 

Каждый из этих эффектов может создавать помехи, когда  передача ведется с помощью фазовой  манипуляции. Максимально допустимое значение канальной мощности, обусловленное  ФСМ и ФКМ, обратно пропорционально  числу мультиплексируемых каналов.

 

1. ФАЗОВАЯ САМОМОДУЛЯЦИЯ

Когда выходной уровень источника  света становится слишком большим, сигнал может модулировать свою собственную фазу. Как подразумевает само название, это явление является фазовой самомодуляцией (SPM). Как показано на рисунке 2, это приводит к уширению переданного импульса и временному расширению или сужению сигнала. Что происходит, расширение или сужение, зависит от знака (положительного или отрицательного) хроматической дисперсии. В результате происходит сдвиг фронта импульса в сторону длинных волн и сдвиг среза импульса в сторону коротких волн.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 - Механизм спектрального уширения

за счет фазовой  самомодуляции

Фазовая самомодуляция увеличивается  с увеличением передаваемой мощности. Ее действие становится более деструктивным, как только увеличивается скорость передачи в канале и время нарастания импульса становится короче. Она также увеличивается при наличии отрицательной хроматической дисперсии.

На SPM не оказывает существенного влияния уменьшение шага между каналами в системах WDM или увеличение числа каналов. Влияние фазовой самомодуляции уменьшается, если хроматическая дисперсия нулевая или небольшая по величине, или при увеличении площади эффективной области оптоволокна.

В общем случае влияние  SPM значительно только в системах с высоким значением накопленной дисперсии или в системах очень большой протяженности. Оптоволоконные системы, имеющие ограниченную накопленную дисперсию, могут не вызывать эффектов, характерных для SPM.

На относительно коротких ВОЛС длиной не более 1000 км, SPM может управляться с помощью модулей компенсации дисперсии, расположенных на определенных расстояниях вдоль трассы ВОЛС с волокном типа G.652. Действие SPM может быть снижено путем уменьшения мощности сигнала или же путем использования длины волны выше длины волны нулевой дисперсии на рабочем волокне типа G.655.

2. ФАЗОВАЯ КРОСС-МОДУЛЯЦИЯ

Фазовая кросс-модуляция - это нелинейный эффект, в процессе которого не происходит обмена энергией между электромагнитным полем и диэлектрической средой. Когда две и более оптические волны вместе распространяются по световоду, из-за нелинейности среды распространения они могут взаимодействовать друг с другом.

Фазовая кросс-модуляция  обусловлена нелинейным набегом фазы оптического поля, который наведен другим полем на другой длине волны, распространяющимся совместно.

Предполагается, что показатели преломления сердцевины и оболочки световода практически совпадают и равны n .

    Таким образом,  показатель преломления зависит не только от интенсивности других волн, распространяющихся вместе с данной.

 

 

 

 

 

 

2. . ВЫНУЖДЕННОЕ РАССЕЯНИЕ

Вынужденное рассеяние света представляет собой рассеяние на элементарных возбуждениях среды, индуцированных рассеиваемой волной. Поскольку процесс рассеяния стимулируется самим рассеиваемым светом, рассеянное излучение характеризуется высокой степенью когерентности, узкими диаграммами направленности отдельных компонентов и интенсивностью, сопоставимой с интенсивностью падающего света. Таким образом, при возбуждении среды мощным световым источником происходит модуляция ее параметров, что приводит к амплитудной модуляции рассеянного света, а следовательно, к появлению в нем новых спектральных компонентов.

Самые важные виды рассматриваемого явления - вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), иногда называемое рамановским, и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). Комбинационное рассеяние связано с возбуждением новых колебательных и, в меньшей степени, вращательных энергетических уровней частиц среды, а ВРМБ - с появлением в среде гиперзвуковых волн.

 

1. ВЫНУЖДЕННОЕ РАССЕЯНИЕ

МАНДЕЛЬШТАМА-БРИЛЛЮЭНА (ВРМБ)

Вынужденное рассеяние возникает  тогда, когда падающий сигнал рассеивается. Это рассеяние может быть как в прямом, так и в обратном направлениях, и объясняется действием одного или нескольких механизмов. В каждом случае, свет сдвигается в область длинных волн. Например, при длине волны 1550 нм рассеянный свет сдвигается вправо (рассеяние Бриллюэна, в отечественной литературе его называют рассеянием Мандельштама-Бриллюэна) примерно на 11 ГГц.

Среди всех нелинейностей, рассмотренных  в этом разделе, вынужденное рассеяние  Бриллюэна (SBS) имеет наинизшую пороговую мощность. Было показано, что порог SBS может изменяться в зависимости от типа волокна и даже среди отдельных волокон. Как правило, он имеет порядок 5-10 мВт для узкополосных источников света с внешней модуляцией. Для лазеров с непосредственной модуляцией эта мощность может быть порядка 20-30 мВт.

SBS ограничивает количество световой энергии, которое может быть передано по волокну. На рисунке 3 показано действие этого эффекта для узкополосного источника, когда вся мощность сигнала попадает в ширину полосу Бриллюэна. Переданная мощность достигает насыщения и резко нарастает мощность обратного рассеяния.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 - Порог вынужденного рассеяния Бриллюэна для узкополосного источника света

Ухудшения, вызванные SBS, не возникнут в системах, где ширина линии источника значительно превосходит ширину полосы Бриллюэна, или там, где мощность сигнала меньше пороговой мощности SBS.

2.2.2.ВЫНУЖДЕННОЕ РАССЕЯНИЕ РАМАНА

Вынужденное рассеяние Рамана (SRS) вызывает ухудшение сигнала только тогда, когда уровень оптической мощности оказывается высок. Его влияние чем-то похоже на рассеяние Бриллюэна, но излучение света сдвигается в область существенно более низких частот (между 10 и 15 ТГц) для 1550 нм окна. Кроме этого сдвинутая низкочастотная составляющая имеет значительно более широкую полосу, чем полоса Бриллюэна (около 7 ТГц).

 В системах WDM влияние этого типа рассеяния заключается в перераспределении мощности из коротковолновых в длинноволновые каналы. В этом случае это явление работает как романовский усилитель и длинноволновые каналы усиливаются за счет коротковолновых каналов до тех пор, пока разница в длинах волн лежит в полосе частот рамановского усиления. Это явление может возникнуть в кварцевом волокне, где усиление может стать результатом использования шага между каналами 200 нм.