1.2 Бриллюэновское рассеяние в волоконных световодах

Любое пассивное устройство (каковым является и ВС) является нелинейным устройством. При определенных уровнях мощности (естественно, что для каждого из пассивных устройств эти уровни разнятся) передаточная функция пассивного устройства становится такой, что начинают проявляться нелинейные свойства (даже при относительно низких мощностях не более 10 дБм для традиционного одномодового ВС).

Нелинейные эффекты в ВС стали изучаться задолго до их использования в волоконно-оптических линиях передачи (ВОЛП). Тем не менее, серьезное внимание на них стали уделять с того момента, когда стали увеличиваться информационные скорости в ВС, протяженности ВОЛП, число длин волн, передаваемых по одному волокну, а также уровни оптической мощности. Если на ранней стадии развития ВОЛП единственными проблемами являлись погонные оптические потери и волоконно-оптическая дисперсия (линейные искажения), то сейчас на лидирующее место в проблемах ВОЛП стали выходить нелинейные эффекты, особенно остро проявляющиеся в системах DWDM (системы волнового мультиплексирования) при передаче высокоскоростной цифровой информации. Так, впервые серьезное внимание на нелинейности в ВС обратили при подводной прокладке международного трансатлантического ВС, предназначенного для передачи высокоскоростной цифровой информации.

Нелинейные эффекты, возникающие в ВС, представляют собой фундаментальные ограничения по объему информации, который может быть передан по отдельному ВС в единицу времени. Системные проектировщики ВОЛП должны знать о таких ограничениях и предпринимать меры по минимизации нежелательных эффектов нелинейности.

Стимулированное Бриллюэновское рассеяние (от англ. SBS – Stimulated Brillouin Scattering) устанавливает верхний предел на уровень оптической мощности, который может быть передан по оптическому волокну. При превышении определенного уровня оптической мощности, именуемого порогом SBS, в ОВ возникает акустическая волна (рис.1.3), под воздействием которой меняется величина коэффициента преломления n. Изменения n вызывают рассеяние света, приводя к дополнительной генерации акустических волн [7].

Рис.1.3. К возникновению Бриллюэновского рассеяния

В конечном счете, вследствие этого эффекта, возникает волна со смещенной частотой (волна Стокса – Stokes wave), распространяющаяся в обратном направлении к источнику света (рис.1.3), в результате чего полезная передаваемая оптическая мощность ослабляется. Тем самым ограничивается предельно достижимая мощность, которая может быть передана передатчиком в линию.

Отметим, что при малых оптических мощностях (т.е. до порога SBS) отраженная световая волна увеличивается прямо пропорционально уровню подводимой оптической мощности, т.е. подчиняется бриллюэновскому и рэлеевскому законам рассеяния, и отличается друг от друга на постоянную величину, определяемую законом рассеяния Бриллюэна-Мандельштама (в основном зависит от эффективной площади сердцевины ВС – А_эфф для данного материала). И только после превышения порога SBS наступает лавинный процесс увеличения мощности отраженной волны. Типовое значение порога SBS для линии протяженностью в 10 км составляет 6…10 дБм. Выше этого уровня наблюдается значительное увеличение потерь ОВ, зависящих от уровня вводимой оптической мощности.

Помимо эффекта снижения полезной мощности возникают и шумы (повышается относительная интенсивность шума – RIN, например, c –155 до –138 дБ/Гц), ухудшающие характеристики BER (вероятность возникновения ошибки). Особенно важно контролировать SBS в высокоскоростных транспортных оптических системах, обязательно используя модуляторы с внешней модуляцией (External modulators) и лазерные источники непрерывных колебаний (CW – Continuous Wave). Предварительно отметим, что традиционные уровни сигналов в CATV на длине волны 1550 нм часто вызывают эффект SBS, т.к. находятся обычно в пределах 8…14 dBm., т.е. выше типового значения порога SBS.

Появляющаяся акустическая волна (с частотой ω_A, см. рис.1.3) по своей природе является гиперзвуковой, и ее частотный спектр может располагаться до 10…13 ТГц (10¹³ Гц). Бриллюэновское частотное смещение ν_В, определяемое частотой акустической волны ω_А по формуле:

(1.7)

Т ак, для λ = 1550 нм скорость акустической волны в кварцевом ОВ составляет ν_A≈ 5 × 10³ м/с и ν_В ≈ 10 ГГц (~ 0,1 нм). Часто, для лучшего восприятия физики процесса, частотное бриллюэновское смещение сравнивают с модуляцией светового потока акустической гиперзвуковой волной или эффектом Доплера. Графическое представление бриллюэновского смещения приведено на рис.1.4.

Выражение для пороговой мощности SBS P_SBS записывается в виде:

(1.8)

г

Рис.1.4. Графическое

представление

бриллюэновского смещения

де: в – числовое значение между 1 и 2, зависящее от поляризационного состояния волны; g_B ≈ 4,6 × 10^-11 м/Вт – SBS усилительный коэффициент (зависит от типа ВС); L_эфф – эффективная длина ВС, определяемая из выражения:

(1.9)

Для случая передачи импульсных сигналов важно отметить, что чем короче длина импульса, тем больше энергии необходимо для того, чтобы наступило бриллюэновское рассеяние и, таким образом, тем меньше вероятность проявления этого эффекта при высоких скоростях передачи данных.

Однако, кроме ухудшения условий передачи сигнала по ВОЛП бриллюэновское рассеяние позволяет и оценить его параметры. В частности, надежность волоконно-оптических линий связи невозможно оценить, не имея достоверной информации о натяжении волокна в кабеле. Актуальность такой задачи стимулировала исследования тонких оптических эффектов в волокне, в результате чего возникла бриллюэновская рефлектометрия.

Известно, что при распространении излучения вдоль оптического волокна оно рассеивается на оптических неоднородностях. Большая часть света рассеивается на микроскопических изменениях плотности плавленого кварцевого стекла – это рассеяние, как сказано в предыдущем параграфе, называется рэлеевским рассеянием. На этом явлении основан принцип действия обычных рефлектометров, нашедших широкое применение. Другой вид неоднородностей, имеющихся в волокне, обусловлен тепловыми колебания атомов. Так, подобно инфракрасному тепловому электромагнитному излучению, в стекле всегда присутствуют гиперзвуковые волны. Рассеяние света на вызванных этими волнами подвижных неоднородностях показателя преломления и называется бриллюэновским рассеянием.

Главным отличием бриллюэновского рассеяния от рэлеевского является то, что вызывающие его неоднородности двигаются. В этом случае вследствие эффекта Доплера оптическая частота рассеянного сигнала будет отличаться от частоты лазера и, как следствие, от частоты рэлеевского рассеяния (рис.1.5) [8].

Б

Рис.1.5. Сравнение рэлеевского

и бриллюэновского рассеяний

олее того, бриллюэновский сдвиг частот Dv_Б пропорционален скорости звука и зависит от натяжения волокна, подобно тому как натяжение струны меняет ее тон. Поэтому, измерив распределение величины Dv_Б вдоль волокна, можно понять картину распределения напряжений в нем.

Для этого прибор должен совмещать возможности рефлектометра и оптического спектрального анализатора. Первые схемы регистрации бриллюэновского рассеяния предполагали необходимость доступа к обоим концам волоконной линии. Лишь недавние достижения в области оптического усиления и акустооптической модуляции позволили японской фирме ANDO разработать мобильный прибор – AQ8602, который может (подобно обычному рефлектометру) тестировать волокно с одной стороны.