6.7. Фазовая самомодуляция (фсм) и перекрестная фазовая модуляция (фкм)

Одним из первых нелинейных эффектов, который начинает проявляться при мощности оптического сигнала примерно 8...10 мВт, является самомодуляция, _или автомодуляция, фазы оптической несущей — ФСМ (SPM). Это явление возникает вследствие изменения показателя преломления сердечника. В свою очередь изменение показателя преломления обусловлено большой плотностью мощности, при которой в структуре сердечника существует сильное электромагнитное поле, воздействующее на движение электронов. Если для линейной среды показатель преломления (в этом выражении Ъ, — диэлектрическая проницаемость, ц — магнитная проницаемость вещества [28]), то для нелинейной это выражение приобретает более сложный характер. Поскольку при движении оптического импульса вдоль волокна непрерывно изменяется п,(Р|), то изменяется также постоянная распространения оптической несущей, что приводит к непрерывному изменению фазы. Как известно, изменение фазы эквивалентно изменению частоты. Очевидно, что при этом происходит расширение спектра сигнала и сужение оптического импульса. Самомодуляция фазы заметно проявляется при длительности оптических импульсов т„ Z100 пс. При длительности т_и = 10...20 пс сужение может достигать двух—трех и более раз. В результате чего импульсы могут даже раздваиваться. Кроме того, на фронтах импульсов могут возникать осцилляции, как, например, это показано на рис. 6.15 [31].

Если в волокне распространяются две оптические волны и каждая из них име­ет мощность порядка 10 мВт и более, то нелинейность среды вызывает взаимодей­ствие этих волн. Оно возникает вследствие изменения показателя преломления, которое также приводит к самомодуляции фазы каждой волны. При этом мощность одной из волн вызывает фазовую модуляция не только собственного сигнала, но и соседнего. Это влияние носит взаимный характер и называется перекрестной фазовой модуляцией или фазовой кросс-модуляцией — ФКМ (СРМ).

Вернемся к явлению самомодуляции фазы одной световой волны. Возникнове­ние осцилляции на фронтах импульса вызвано так называемой волновой неустой­чивостью. Выше было отмечено, что при ФСМ происходит расширение спектра оптического импульса. При этом более Длинноволновые составляющие спектра движутся с большей скоростью по срав­нению с коротковолновыми. В результате обе составляющие спектра интер­ферируют, чем и вызываются осцилляции. Поскольку среда в данном случае нелинейная, смещение частот приводит к возникновению новых частот:

. и Таким образом, кроме Двух составляющих в спектре появляются еще две. При дальнейшем распространении происходит их взаимодействие, приводящее к усложнению процесса и обогащению спектра новыми составляющими.

6.8. Четырехволновое смешение (чвс)

Введем в вещество (в волокно) два оптических сигнала с частотами причем . Если их интенсивность достаточно велика, то в спектре рассеянного излучения будут весьма заметными составляющие с частотамии и Таким образом, частотный спектр рассеянного сигнала (с учетом рэлеевского рассеяния) будет содержать компоненты излучения с четырьмя значениями частот: _{и ,} Поскольку, могут быть случаи, когда v_fl = v_w2, при этом составляющая с частотой v_c2 увеличивается по интенсивности и может увеличить вероятность перехода некоторого числа микрочастиц в следующее колебательное состояние, при котором может возникнуть фонон с частотой и фотон с частотой. В результате такой комбинации частотный спектр рассеянного излучения расширяется, причем некоторые из составляющих могут усиливаться за счет подавления других. Такое нелинейное явление получило наименование четырехволнового смешения (ЧВС или FWM — four wavelength Mi­xing). В работе [63] отмечается, что при N оптических сигналах со своими частота­ми в результате ЧВС количество составляющих определяется соотношением: (6.28)

Заметим, что явление ЧВС может заметно проявляться и при одном оптическом сигнале, который переносит информацию методом модуляции по интенсивности. При таком методе модуляции, как и при амплитудной модуляции в радио­диапазоне спектр сигнала состоит из трех составляющих: где/ — централь­ная частота (частота несущей) и две боковые частоты _и При высокой скорости передачи, например 10 Гбит/с или 40 Гбит/с, частоты боковых составляющих заметно отличаются от центральной частоты и каждая из них с точки зрения процесса ЧВС является самостоятельной оптической несущей.

Нелинейный процесс четырехволнового смешения по своей природе близок к комбинационному рассеянию и также является широкополосным. В волоконно-оптических системах передачи степень влияния ЧВС на качественные характеристики связи сильно зависит от дисперсионных свойств волокна. Это влияние проявляется в виде дополнительных перекрестных помех, в ВОСП со спектральным уплотнением, а также в виде межсимвольных помех при высоких скоростях передачи. Этот вид помех может иметь место и в одноволновых ВОСП. Наибольшее паразитное влияние ЧВС оказывает в системах передачи, в которых оптиче­ский тракт основан на одномодовом волокне со смещенной нулевой дисперсией (Рек. МСЭ-Т G.653) DSF, практически не влияет при одномодовом стандартном волокне SMF (G.652). На рис. 6.16 показана степень влияния ЧВС в оптических волокнах G.653 (рис. 6.16а), и G.652 (рис. 6.166).

Анализ этих результатов показывает, что в случае волокна G.653 помехи от ЧВС практически неприемлемы, для волокна G.652 они практически отсутствуют. Выше было отмечено, что ЧВС — это широкополосный процесс. При нулевой дисперсии все составляющие спектра оптического излучения распространяются с одинаковой скоростью и в каждый момент времени присутствуют в любом сече­нии волокна в полном составе, создавая при этом максимальную плотность энер­гии и оптимальные условия для ЧВС В стандартном OB G.652 с наклоненной не­нулевой дисперсионной характеристикой высокочастотные составляющие по вре­мени запаздывают относительно низкочастотных, ухудшая этим условия для ЧВС.

Иначе говоря, эти составляющие достигают данного сечения волокна в разное время, поэтому отсутствуют условия комбинации частот и явление ЧВС не происходит.

Аналогичные явления происходят и в том случае, когда в волокно введены два оптических сигнала на разных длинах волн. Явление возникновения двух дополнительных оптических частот — это так называемое явление четырехволнового смешения (FWM), которое проявляется в виде перекрестных помех в системах с многоволновым уплотнением (WDM).