8.2. Оптические волновые конверторы

8.2.1. Классификация. Общие сведения.

Оптические волновые конвертеры (ОВК) - устройства, преобразующие входной оптический сигнал с длиной волны ₁, в выходной оптический сигнал с длиной волны ₂. ОВК используются в мультиплексорах WDM для согласования набора входных несущих с рабочим набором длин волн мультиплексора, определяемым обычно диапазоном АВХ используемого ОУ.

Существующие волновые конверторы используют различные нелинейные эффекты для генерации гармоник нужной длины волны. Их можно разделить на:

• оптоэлектронные конверторы,

• конверторы на основе оптической кросс- модуляции;

• конверторы на основе эффекта четырехволнового смешения;

• конверторы на основе других нелинейных эффектов.

8.2.2. Принцип действия конверторов.

Оптоэлектронные конверторы являются наиболее простыми и широко используемыми в системах спектрального уплотнения. Такой конвертор состоит из трех блоков: оптического приемника-преобразователя, электронного регенератора и оптического передатчика. Приемник осуществляет оптоэлектронное преобразование сигнала. Регенератор формирует электрическую кодовую последовательность и модулирует излучение оптического передатчика (лазера с требуемой длиной волны).

Конверторы на основе оптической перекрестной модуляции могут использовать полупроводниковые оптические усилители, в которых при наличии излучения накачки может происходить кросс-модуляция усиления и кросс-модуляция фазы.

Наиболее перспективными конвертерами являются устройства, основанные на эффекте четырехволнового смешения в одномодовых ОВ.

В оптических волокнах может возникать нелинейное взаимодействие нескольких оптических волн, в результате которого появляются комбинационные гармоники. Одним из таких эффектов является четырехволновое смешение ЧВС (FWM).

Суть его (с позиций квантовой механики) в том, что при взаимодействии четырех линейно поляризованных вдоль одной оси х оптических волн с частотами ₁, ₂, ₃ и ₄ может произойти уничтожение фотонов одной частоты и рождение фотонов других частот при сохранении общей энергии и импульса. Это обычно происходит по двум схемам:

• передача энергии трех фотонов четвертому, генерируемому на частоте ₄ = ₁ + ₂ + ₃;

• передача энергии двух фотонов двум новым, генерируемых на частотах ₃ + ₄ = ₁ + ₂.

Формально эти схемы можно свести в одну: ₄ = ₁ + ₂  ₃, обобщив ее для случая взаимодействия трех линейно поляризованных произвольных волн _i, _j, _k: _ijk = _i + _j  _k.

Строго говоря, явление ЧВС наблюдается при соблюдении фазового синхронизма волновых векторов взаимодействующих волн. В реальном ОВ оно выполняется с большей или меньшей точностью, что позволяет говорить о степени эффективности ЧВС. Фазовый синхронизм легче всего выполняется в случае вырожденного ЧВС, когда ₁ = ₂. В этом случае волна накачки с частотой ₁ генерирует две симметричные гармоники с частотами ₃ (стоксовая, или низкочастотная, гармоника) и ₄ (антистоксовая, или высокочастотная, гармоника), сдвинутые от частоты накачки на величину _чс = ₁ ‑ ₃ = ₄ ‑ ₁. Практически, если в ОВ вводится только излучение накачки и выполняются условия фазового синхронизма, то генерация составляющих ₃ и ₄ может инициироваться тепловыми шумами (тепловыми фотонами), как при ВКР и ВРМБ. Разница только в том, что порог возникновения четырехволнового смешения примерно в 2 раза ниже порога ВКР.

На практике легче всего добиться фазового синхронизма в простейшем случае - двух совместно распространяющихся волн. Например, две несущих системы WDM ₁ и ₂ дают, взаимодействуя, две боковые гармоники: стоксовую - 2₁ ‑ ₂ и антистоксовую - 2₂ ‑ ₁ (см. рис. 8.23а). Эти составляющие распространяются совместно с двумя исходными, отбирая у них часть энергии.

В случае трех совместно распространяющихся волн фазовый синхронизм легче получить для схемы взаимодействия вида: _ijk = _i + _j - _k, где i  k, j  k. В результате формально происходит генерация двенадцати гармоник, а именно: ₁₁₂, ₁₁₃, ₁₂₃, ₁₃₂, ₂₁₃, ₂₂₁, ₂₂₃, ₂₃₁, ₃₁₂, ₃₂₁, ₃₃₁, ₃₃₂, а фактически семи гармоник, так как некоторые частоты совпадают: ₂₁₃ = ₁₂₃ = ₁₁₂, ₁₃₂ = ₃₁₂, ₂₃₁ = ₃₂₁ = ₃₃₂ дают совпадающие частоты (см. рис. 8.23б).

Рис. 8.23. Вид спектра несущих при наличии ЧВС:

а - спектр ЧВС при двух несущих; б - спектр ЧВС при трех несущих

При наличии нескольких (больше трех) несущих, например, m, могут работать обе схемы формирования ЧВС, а число гармоник N можно оценить по формуле N = m(m‑1)². Появление и амплитуда тех или иных гармоник при этом зависят от факта и точности соблюдения фазового синхронизма. Последнее существенно зависит от хроматической дисперсии в районе генерации боковых составляющих, учитывая, что она определяет различие групповых скоростей взаимодействующих и генерируемых гармоник. Чем выше дисперсия, тем меньше вероятность соблюдения фазового синхронизма взаимодействующих частот и ниже эффективность процесса ЧВС, характеризуемая коэффициентом эффективности (см. ниже).

Ясно, что если разнос исходных частот в системах с разделением по длине волны фиксирован, то вероятность того, что комбинационные гармоники будут совпадать с исходными тем больше, чем меньше указанный разнос, т.е. чем плотнее канальный (частотный) план. При этом могут возникать существенные искажения, не говоря уже о засорении всего спектра усиливаемых сигналов и возможности возникновения перекрестных помех в многоканальных системах связи.

Степень искажений зависит также от мощности генерируемых гармоник с частотами _ijk. Эту мощность можно оценить по следующей формуле [8.8]:

(8.21)

где - коэффициент эффективности ЧВС; a_ij- коэффициент, равный 3, если i = j, или 6, если i  j; называемый иногда коэффициентом вырождения; n₂ – нелинейная составляющая показателя преломления; S_эф - эффективная площадь ОВ; с - скорость света; Р_i, Р_j, Р_k - мощности исходных несущих;  - коэффициент затухания; L - длина участка взаимодействия.

Оценка на основе (8.21), приведенная в [8.8]без учета затухания и коэффициента эффективности ЧВС, при _ijk = 193.4 ТГц (1550 нм), a_ij = 6, k_н = 310⁸ мкм²/Вт, S_эфф = 50 мкм², L = 20 км, Р_i, Р_j, Р_k = 1 мВт, теоретически дает уровень мощности гармоники ЧВС порядка 9.45 мкВт, что соответствует уровню порядка ‑20 дБ по мощности по отношению к уровню несущих.

Особенно сильно эффект ЧВС проявляется на волнах, длина которых близка к длине волны нулевой дисперсии. У стандартных одномодовых ОВ эта длина составляет 1310 нм, а для ОВ со смещенной дисперсией – 1550 нм.

Эффект ЧВС проявляется при взаимодействии излучений 2 или 3 длин волн, в результате которого возникает излучение с новой длиной волны. В конвертерах обычно используют два излучения сигнала с частотой _с и накачки с частотой _н. В результате нелинейного взаимодействия возникают две новые волны с частотами 2_с-_н и 2_н-_с. Для преобразования длины волны сигнала _с в длину  необходимо выбрать длину волны накачки в соответствии с одним из выражений

(8.22)

Для выделения излучения с длиной волны  необходимо использовать полосовой оптический фильтр и усилитель.

Эффективность конкретной реализации той или иной технологии конвертации зависит от многих факторов. Одним из важных при этом является уровень амплитуды генерируемой гармо­ники. Указанные выше методы позволяют реализовать амплитуды порядка 0,1% от амплитуды основного сигнала или сигнала накачки.