9.1.6.2. Методы компенсации дисперсии

Методы уменьшения дисперсии, рассмотренные выше, сводились к использованию профилиро­ванных показателей преломления, длины волны с нулевой дисперсией, сдвигу нулевой дисперсии за счет волноводной составляющей в область рабочих длин волн, созданию слабо меняющейся дисперсионной характеристики с ненулевой, но малой дисперсией. Они уже реализованы в суще­ствующих оптических волокнах (см. табл. 9-2 ниже).

Однако существует возможность и прямой компенсации дисперсии путем врезки в волок­но, имеющее положительную дисперсию, участка ОВ с отрицательной дисперсией, причем так, чтобы результирующая дисперсия на заданной длине волны или (с учетом использования WDM) в

определенном диапазоне длин волн была близка к нулю. Использование этого метода возможно упростит технологию изготовления кабеля и кажется достаточно перспективным. Одной из про­мышленных разработок, основанных на такой технологи изготовления ОВ, является новая моди­фикация кабеля True Wave, названная True Wave Balanced [199]. Этот кабель позволяет без исполь­зования внешних компенсаторов передавать сигналы высокоплотных систем WDM (DWDM и HDWDM) в стандартном для них в настоящее время диапазоне длин волн 1530-1565 нм.

Кроме указанных спецтехнологий для этих же целей был разработан специальный тип ОВ -DCF - волокно, компенсирующее дисперсию (ВКД), которое в виде бухты ОВ определенной длины может быть вставлено в виде модуля в стойку с аппаратурой SDH или WDM (см. разд. 9,1.9.2 и 9.4.1). Важно иметь в виду относительно большой уровень вносимых потерь, который имеет такой модуль.

9.1.7. Нелинейные эффекты в волоконных световодах

Оптический световод, как и любой диэлектрик, демонстрирует нелинейное поведение в сильном электромагнитном поле. Такие поля образуются даже при использовании относительно маломощ­ных источников излучения за счет большой плотности мощности, реализуемой в силу малого по­перечного сечения одномодового кабеля, имеющего порядок 5-10"" м².

Ситуация с такого рода нелинейными эффектами усугубляется в системах с оптическими усилителями, которые применяются для обеспечения большей длины пролета (span) или регене-рационного участка (составленного из нескольких пролетов), а также в высокоплотных системах с разделением по длинам волн, где используются источники интенсивного лазерного излучения. Наиболее явно проявляются нелинейные эффекты низших порядков, которые кратко рассмотрены ниже. К ним относятся [168]:

• нелинейное преломление - явление, при котором показатель преломления зависит от интен­ сивности электрического поля Е;

• вынужденное неупругое рассеяние - явление, при котором оптическая волна передает часть своей энергии нелинейной среде в результате взаимодействия с молекулами;

• модуляционная неустойчивость - явление модуляции стационарного волнового состояния под действием нелинейных и дисперсионных эффектов;

• параметрические процессы - явления, вызванные взаимодействием оптических волн с элек­ тронами внешних оболочек {четырехволновое смешение ЧВС (FWM), генерация гармоник и параметрическое усиление).

9.1.7.1. Нелинейное преломление, ФСМ и ФКМ

Показатель преломления оптической среды зависит не только от частоты (этот факт рассматрива­ется в рамках линейной теории), но и от интенсивности света /, или квадрата напряженности элек­трического поля Е:

(9-19)

где я/ - линейная составляющая, описываемая уравнением Селлмейера и зависящая от частоты, п₂ - нелинейная составляющая показателя преломления, зависящая от электрического поля. Нелинейная составляющая п₂ может быть выражена следующим уравнением [168]:

(9-20)

где к„ - коэффициент нелинейности показателя преломления, rf^3>_t - составляющая нелиней­ной диэлектрической восприимчивости 3-го порядка (является компонентой (1111) тензора* 4-го порядка, ее значение используется в примере ниже, rf^2> - нелинейная диэлектрическая воспри­имчивость второго порядка - для изотропной среды, какой является ОВ, равна нулю)

Зависимость п от jEf приводит к таким нелинейным эффектам, как фазовая самомодуля­ция (ФСМ) и фазовая кросс-модуляция (ФКМ):

- ФСМ обусловлена нелинейным набегом фазы, который оптическое поле приобретает при рас­ пространении в световоде, причем этот набег увеличивается с увеличением длины распростра­ нения z, приводя к симметричному спектральному уширению коротких импульсов;

- ФКМ обусловлена набегом фазы, наведенным электрическим полем источника, излучающего на другой длине волны; эта волна распространяется совместно с исходной и вызывает асим­ метричное спектральное уширение совместно распространяющихся импульсов.

Изменение фазы при появлении ФСМ вызывает паразитную частотную модуляцию (ПЧМ) импульса, глубина которой растет с ростом z, что и объясняет уширение спектра импульса. Этот спектр имеет обычно осциллирующий характер и зависит от формы импульса и его началь­ной паразитной частотной модуляции (ПЧМ), которая наблюдается у многих источников излу­чения. Если на ФСМ накладывается ДГС, то для волокна с положительной дисперсией ее влияние обычное и сводится к уширению спектра и расплыванию импульса со временем. Если же диспер­сия волокна отрицательна, то ее влияние необычное - гауссовский импульс несколько расширяет­ся, затем стабилизируется, а спектр импульса сужается. Если же импульс имеет форму гиперболи­ческого секанса (близок к гауссовскому), то в отсутствие начальной ПЧМ импульс ведет себя как солитон - ни форма, ни спектр импульса не изменяются при распространении.

Таким образом, совместное действие ФСМ и ДГС в световоде в области отрицательных дисперсий является одной из основных причин, которая объясняет существование оптических солитонов (см. ниже).