В этой лекции мы кратко рассмотрим семь различных явлений:

1. вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS),

2. вынужденное Рамановское рассеяние (SRS),

3. фазовую самомодуляцию (ФСМ),

4. четырехволновое смешение (ЧВС),

5. модуляционную нестабильность (MI),

6. формирование солитона,

7. фазовую кросс-модуляцию.

Эти нелинейности могут быть разбиты на две основные группы:

нелинейности связанные с эффектами рассеяния (рассеяния Бриллюэна и Рамана) и эффектами типа эффекта Керра, который состоит в изменении показателя преломления материала под действием электрического поля, что привносит зависимость показателя преломления от интенсивности излучения. К этой группе нелинейностей относят фазовую самомодуляцию, фазовую кросс-модуляцию, модуляционную нестабильность, солитоны и четырехволновое смешение. Эти эффекты определяются следующими параметрами оптического волокна и сигнала, распространяющегося по нему:

дисперсионными характеристиками волокна, эффективной площадью сердцевины волокна, числом и шагом между оптическими каналами в многоканальных системах, полной не регенерируемой длиной системы, интенсивностью сигнала и толщиной излучаемой спектральной линии.

11.1. Бриллюэновское и Рамановское рассеяния

Стимулированное Бриллюэновское рассеяние (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 (см. рис. 11.1), под воздействием которой меняется величина показателя преломления n. Изменения n вызывают рассеяние света, приводя к дополнительной генерации акустических волн. В конечном счете, вследствие этого эффекта, возникает волна со смещенной частотой (волна Стокса – Stokes), распространяющаяся в обратном направлении к источнику света (рис. 11.1), в результате чего полезная передаваемая оптическая мощность ослабляется (рис. 11.2). Тем самым ограничивается предельно достижимая мощность, которая может быть передана передатчиком в линию. Отметим, что при малых оптических мощностях (т.е. до порога SBS см. рис. 11.2) 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 ядра ОВ – Аэфф 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 дБ/Гц 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 дБ, т.е. выше типового значения порога SBS. Появляющаяся акустическая волна (с частотой ωA, см. рис. 11.2) по своей природе является гиперзвуковой, и ее частотный спектр может располагаться до 10…13 ТГц (1013 Гц). Бриллюэновское частотное смещение νВ, определяемое

частотой акустической волны ωА по формуле:

Так, для λ=1550 нм скорость акустической волны в кварцевом ОВ составляет

νА≈5×103 м/с и νВ≈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. 11.4.

Стимулированное Рамановское рассеяние (SRS – Stimulated Raman Scattering) представляет собой значительно меньшую проблему в сравнении со стимулированным Бриллюэновским рассеянием (SBS). Реальные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) допускают использование оптического усилителя (EDFA) с уровнем порядка 25 дБм или нескольких усилителей с меньшим уровнем выходного сигнала. SRS по своему характеру проявления близко к SBS, но вызывается другими физическими явлениями. SRS является частотно зависимым ипроявляется более выражено на коротких волнах в сравнении с длинноволновыми (т.е. на более высоких частотах).

Явления SBS и SRS проявляются в том, что оптический сигнал рассеивается и смещается в область более длинных волн (рис. 11.4). Если при SBS спектр стимулированного излучения узкий (не более 60 МГц) и смещен в длинноволновую сторону на 10…11 ГГц, то при SRS спектр стимулированного излучения широкий (~7 ТГц) и смещен в длинноволновую сторону на величину порядка 10…13 ТГц. При схожести SBS и SRS, можно выделить несколько существенных отличий:

SBS наблюдается только для встречной волны, рассеяние происходит только назад, по направлению к источнику сигнала. SRS же наблюдается как для встречных волн (стоксово излучение с уровнем порядка -50…-60 дБ относительно интенсивности исходного излучения), так и для сонаправленных волн (антистоксово излучение с уровнем порядка -70…-80 дБ относительно основной волны). Стоксовая и антистоксовая волны располагаются частотно симметрично относительно основной передаваемой частоты излучения. При SRS спектр стимулированного излучения смещен относительно сильнее (разница примерно на три порядка), а ширина его намного больше (примерно на три порядка), чем при SBS. Пороговая мощность SRS намного больше (примерно на три порядка), чем SBS.