9.1.7.2. Вынужденное неупругое рассеяние

Это явление, в отличие от упругого взаимодействия (изучаемого в линейной теории), обусловлено неупругим взаимодействием, при котором оптическое поле передает часть своей энергии нели­нейной среде. С этим взаимодействием связаны два явления:

• вынужденное романовское/комбинационное рассеяние ВКР (SRS);

• вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна ВРМБ (SBS).

Квантовый механизм рассеяния состоит в том, что фотон падающего пучка (например пучка лазерной накачки оптического усилителя) распадается на фотон меньшей (комбинационной или разностной) частоты и фонон*. Если принять, что п)_с и со_тк - частоты сигнала и накачки, то это происходит по схеме: а>_шк - со_с = со_р. Излучение разностной частоты со_р называется стоксовой волной. Для ВКР стоксовая волна может распространяться в обоих направлениях, но преимущест­венно распространяется в направлении падающего пучка, тогда как для ВРБМ - в противополож­ном направлении.

Оба эти явления носят пороговый характер, хотя и имеют существенные различия: одно наблюдается при мощностях накачки порядка 1 Вт (ВКР), другое - порядка 10 МВт (ВРМБ). Важ­ной особенностью этих явлений является то, что их интенсивность в волоконных световодах мо­жет увеличиваться на много порядков (до 10⁹ раз на длине волны 1550 нм при затухании 0,2 дБ/км [168]), создавая возможность для оптического усиления. Благодаря этому оба эти явления исполь­зуются в оптических усилителях, имеющих одноименные названия: ВКР-усилители (или рама-новские, или комбинационные усилители) и ВРМБ-усилители (см. ниже).

Явление ВРМБ стало предметом более пристального изучения в последнее время в связи с значительным усовершенствованием систем передачи на одной несущей и достижением близких к предельным показателей по длине пролета (участка тракта, покрываемого одной усилительной секцией), за счет использования все более мощных лазерных источников излучения, а также пока­зателей по скорости передаваемого сигнала, за счет увеличения разрешающей способности (сте­пени монохроматичности) лазерного сигнала. В обоих случаях происходит увеличение плотности потока световой энергии, приводящее к усилению нелинейных эффектов, которые в первую оче­редь проявляются через ВРБМ, учитывая, что оно имеет самый низкий порог возникновения. Воз­никнув, ВРБМ само приводит, при определенных уровнях излучения накачки, к возникновению

пороговых явлений, ограничивающих мощность полезного распространяющегося сигнала. Физи­ческая суть явления такова.

Фонон, рождаемый в схеме указанного процесса, возбуждает акустические волны, рас­пространяющиеся в том же направлении, но со значительно меньшей скоростью (порядка 5 км/с [295]) за счет эффекта электрострикции* (основная волна распространяется в ОМ ОВ с фазо­вой скоростью порядка 204000 км/с). Они создают пространственные колебания плотности в во­локне (сгустки и разрежения), приводя к локальному изменению показателя преломления - эф­фекту фотоупругости*.

Фотон, также рождаемый в схеме этого процесса, формирует стоксовую волну, которая распространяется в обратном направлении и называется волной обратного рассеяния. Ее интен­сивность тем выше, чем больше эффект фотоупругости, а он, в свою очередь, тем больше, чем выше уровень накачки. При некотором его уровне, называемом пороговым уровнем ВРБМ, начи­нает резко увеличиваться интенсивность волны обратного рассеяния, что ухудшает эффектив­ность передачи основного сигнала. При дальнейшем увеличении подаваемого в ОВ сигнала ин­тенсивность основного сигнала перестает расти и даже начинает падать.

Итак, очевидно, что ВРБМ приводит к двум эффектам:

- установлению верхней границы оптической мощности, эффективно используемой системой

(увеличение длины пролета, например, за счет увеличения мощности источника сигнала ока­зывается ограниченным величиной порогового уровня ВРБМ);

- ухудшению качества основного сигнала за счет взаимодействия основной волны с волной об­ ратного рассеяния, а также с волной двойного обратного рассеяния, возникающей за счет от­ ражения волны обратного рассеяния.

Пороговый уровень ВРБМ зависит от ряда факторов: ширины линии лазерного источника (чем она шире, тем пороговый уровень выше), эффективной площади поперечного сечения ОВ (чем он больше, тем лучше), длины ОВ (при длине до 10 км проблем с ВРБМ не возникает) и тех­нологии модуляции сигнала (лазерный источник с непосредственной модуляцией имеет ширину порядка 1 ГГц, а с внешней модуляцией - 1МГц) [295].