8.1.2.3. Вынужденное комбинационное рассеяние Рамана

Отметим, что у ВКР много общего с ВРБМ и различия носят часто скорее количественный чем качественный характер. Итак вОВ возникает спонтанное рамановское или комбинационное рассеяние. Этот нелинейный эффект приводит к тому, что небольшая часть (обычно 10^‑6 ‑ 10^‑7) мощности излучения накачки преобразуется в излучение с более низкой частотой. В квантовой механике этот процесс описывается как рассеяние фотона на молекуле, которая поглощает часть энергии фотона (определяемую одной из собственных частот ее колебаний _i), а частота фотона _p уменьшается до величины (стоксова частота). Иными словами происходит спонтанное испускание фотонаh_s при исчезновении фотона h_p возбуждающего излучения.

Наряду со спонтанным комбинационным рассеянием существует стимулированное или вынужденное комбинационное рассеяние. Это явление также заключается в исчезновении фотона возбуждающего излучения и испускании фотона стоксовой частоты, но вероятность этого процесса пропорциональна интенсивности возбуждающего и рассеянного излучения.

Если в волокно вводится только интенсивное излучение с частотой _p (накачка), сначала имеет место спонтанное комбинационное рассеяние с частотой _s. Затем рассеянное излучение начинает действовать как стимулирующее и возникает вынужденное комбинационное рассеяние, которое приводит к усилению спонтанного излучения.

Рис.8.9. Вынужденное комбинационное рассеяние (Рамана)

Если в рассеивающей среде взаимодействуют интенсивное излучение накачки с частотой _p и излучение сигнала с частотой _s, излучение сигнала будет стимулирующим и начнет усиливаться за счет вынужденного комбинационного рассеяния.

Коэффициент усиления в самом первом приближении может быть определен по выражению (8.7), в котором вместо g_b используется g_r - усилительная способность ВКР-эффекта, см/Вт. Максимальная усилительная способность ВКР при длине волны накачки  = 1 мкм составляет g_r = 10^-11 см/Вт.

Эффект ВКР также является пороговым. Для ВКР в одномодовом ОВ с пороговая интенсивность накачки равна

=30 мВт/мкм². (8.9)

Для одномодового ОВ с диаметром модового поля 8 мкм пороговая мощность составляет 1500 мВт. Для работы ВКР усилителей требуются большие мощности накачки.

Спектр усиления достаточно широкий. В кварцевых волокнах он составляет от 50 до 100 нм для разных типов волокон. Соответственно усиливаются все частотные компоненты полосы усиления (фотоны генерируются на всех частотах внутри полосы), но максимум усиления приходится на стоксову частоту, которая для плавленого кварца смещена относительно частоты накачки на _st = 13 ТГц (примерно 100 нм). Спектр ВКР усиления очень широкий и составляет 5-7 ТГц (35-55 нм). Для усиления сигналов на длине волны в окне прозрачности 1550 нм используется накачка с длинами волн от 1.34 до 1.47 мкм.

Благодаря несомненным преимуществам использования для усиления оптических сигналов эффекта ВКР именно он находит практическое применение. Эти преимущества состоят в широком спектре усиливаемых длин волн и большом разносе по частоте между сигналом и накачкой.