Автор: М.Н. Полякова
Источник: Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 2 (11), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Нелинейные эффекты в оптическом волокне (далее ОВ) изучались давно. Серьезное внимание им начали уде-лятьс тогомомента, когда стали увеличиваться протяженности ВОЛС, информационные скорости в ОВ, число длин волн, передаваемых по одному волокну, а также уровни оптической мощности. Раньше решались проблемы ВОЛС, связанные с погонными оптическими потерями и волоконнооптической дисперсией, но сейчас на первое место стали выходить проблемы нелинейных эффектов, которые особенно остро проявляются в системах DWDM при передаче высокоскоростной цифровой информации. Нелинейные эффекты в волоконной оптике по-добны нелинейным эффектам в других физических систе-мах (механических или электронных). Они порождают ге-нерацию 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 любойэлектромагнитнойэнергии. 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, ко-гда интенсивность лазерного излучения (мощность на единицу поперечного сечения) достигает порогового зна-чения. Кроме того, влияние нелинейностей обнаружива-ется после прохождения сигналом некоторого пути по волокну в зависимости от параметров, конструкции волокна и условий его работы.
Не линейные эффекты в волокнах наиболее сильно тся в DWDM системах, так как с увеличением н волн, передаваемых по волокну, увеличива-едаваемая по нему суммарная оптическая мощ-и этом не только усиливается вклад нелинейных наблюдающихся при передаче сигналов на од-е волны, но начинают проявляться нелинейные свойственные только многоволновым линиям проявляю числа дли ется и пер ность. Пр эффектов ной длин эффекты, передачи. На иболее вредным из них является эффект четырехволнового смешения. При достижении критического уровня мощности излучения лазера (порядка 10 мВт) не-линейность ОВ приводит к взаимодействию волн и появ-лению новых частот. Некоторые частоты возникающих ложныхсигналов могут попастьв рабочие полосыпропус-кания каналов, то есть явление ЧВС проявляется во внутриканальных перекрестных помехах. Суть явления ЧВС с позиций квантовой механики состоит в том, что при взаимодействии четырех линейно поляризованных вдоль оси х оптических волн с частотами ω1, ω2, ω3 и ω4 может произойти уничтожение фотонов од-ной частоты и рождение фотонов других частот при со-хранении энергии и импульса. Это обычно происходит по двум схемам:
– передача энергиитрехфотонов четвертому,генерируемому на частоте
ω4 = ω1 + ω2 + ω3;
– передача энергии двух фотонов двум новым, генерируемых на частотах:
ω3 + ω4 = ω1 + ω2;
Формально эти схемы можно свести в одну: ω4 = ω1 + ω2 ± ω3, обобщив ее для случая взаимодействия трех ли-нейно поляризованных произвольных волн:
ωi+ ωj± ωk.
Строго говоря, явление ЧВС наблюдается при соблюдении фазового синхронизма волновых векторов (ωk = 0). На выходе лазеров формируется когерентное световое излучение, в котором сигналы находятся в привязан-ной фазе по отношению друг к другу. При наличии дис-персии в ОВ условие фазового синхронизма выполняется с большей или меньшей точностью, что позволяет гово-рить о степени эффективности ЧВС. На практике легче всего добиться фазового синхро-низма в простейшем случае – двух совместно распростра-няющихся волн. Например, две несущие WDM, ω1 и ω2, дают, взаимодействуя, две боковые гармоники: стоксовую – 2ω1 – ω2 и антистоксовую – 2ω2 – ω1 (рисунок 2, а). Эти составляющие распространяются совместно с двумя исходными, отбирая у них часть энергии.