6.9. Рассеяние Мандельштама—Бриллюэна (рмб или sbs)

Рассмотренные выше явления, при которых фотоны исходного излучения переводили микрочастицы в возбужденное состояние, как было отмечено, являются широкополосными. Упругие колебания молекул в этом случае состоят из двух типов колебаний: вращательного и продольного. Как отмечалось ранее, энергия этих колебаний имеет дискретный характер, т. е. квантована. Рождаемые при продольных колебаниях фононы в физике твердого тела принято называть оптическими. Частотный спектр этих фононов занимает диапазон от сотен мегагерц до частот инфракрасного диапазона оптического спектра ~10^иГц.

Если интенсивность (т. е. количество фотонов) исходного (начального) излучения увеличивать в узкой полосе частот — несколько десятков МГц, то колебательные движения микрочастиц будут переходить на такой уровень, при котором продольный тип колебаний станет преобладающим. При этом возрастает и амплитуда этих колебаний. Ранее отмечалось, что в твердом веществе молекулы расположены с очень большой плотностью — 10²³ в см³. При такой плотности велика сила взаимодействия между микрочастицами, в результате чего продольные упругие колебания передаются соседним молекулам и в веществе распространяется бегу-Щая упругая (звуковая) волна. Для возбуждения такой волны необходимо, чтобы возбуждающие их фотоны имели узкий частотный спектр -50—100 МГц. Энергетический спектр таких упругих колебаний также квантован. Эти кванты называются акустическими фононами. Частотный спектр акустических фононов весьма Щирок и занимает спектр от инфранизких звуковых частот в доли герца до гиперзвуковых ~10¹³ Гц. На этих фононах также происходит рассеяние света. Это явле ние называется рассеянием Мандельштама—Бриллюэна (РМБ). Для возбуждения РМБ спектральная плотность начального излучения должна быть значительно бо­льшей, чем для рамановского рассеяния — 10 мВт в полосе частот 10—50 МГГц. Сам по себе частотный спектр РМБ относительно невелик (он сосредоточен в указанной полосе), однако вследствие эффекта Допплера, спектр расширяется д₀ 300—500 МГц. Напомним, что эффект Допплера здесь играет роль по той причине, что рассеяние света происходит от линейно движущихся звуковых волн. Более подробно РМБ будет рассмотрено в главе, посвященной оптическим усилителям. Рассмотренные выше нелинейные оптические явления: фазовая самомодуляция (ФСМ), перекрестная фазовая модуляция (ФКМ), четырехволновое смешение (ЧВС), комбинационное рассеяние (или рамановское) и рассеяние Мандельштама—Бриллюэна (РМБ) приводят к расширению спектральной лини оптического излучения. Это расширение возрастает с увеличением оптической мощности сигнала. На рис. 6.17 представлены результаты измерений ширины линии излучения оптического сигнала на длине волны 1546 нм при его распространении в волокне SMF-28 (одномодовое стандартное OB Corning ) длиной 130 км.

На рис. 6.17а показан спектр оптического сигнала на входе линии, на рис. 6.176 — спектр сигнала на выходе при входной мощности 50 мВт (+17 дБм), на рис. 6.17в — 100 мВт (+20 дБм), на рис. 6.17г — 200 мВт (+23 дБм). Анализ ре­зультатов показывает расширение спектра по сравнению с входным более чем в 4 раза. Измерения проводились на действующей ВОСП вдоль Московской кольцевой автодороги (МКАД).

Выше были рассмотрены основные нелинейные явления, возникающие в од-номодовых ОВ при введении излучения, мощность которого превышает 10 мВт, а также их воздействия, отрицательно сказывающиеся на качественных показателях систем связи. Одним из методов ослабления этих воздействий является разработка новых типов одномодовых волокон, с повышенной величиной эффективной площади сечения ОВ — (мкм²). Дело в том, что геометрическая площадь сечения.волокна с,. Ранее отмечалось, что поперечное распределение интенсивности излучения в одномодовых ОВ имеет вид гауссовой кривой. По этой причине эффективный диаметр модового пятна меньше геомет­рического. Например, для стандартного одномодового ОВ с d, = 10 мкм диаметр модового пятна равен ~4 мкм, а эффективная площадь = 50 мкм², т. е. в 1,5 раза меньше геометрической. С помощью подбора легирующих добавок и формы профиля показателя преломления А_эфф удается существенно увеличить. Так, компания CORNING разработала волокно LEAF, имеющее = 72, 5 мкм², а япон­ская фирма FUJIKURA создала одномодовое волокно с = 165 мкм², сохранив в норме остальные важные характеристики ОВ: хроматическую дисперсию 20,5 пс/нм. км, наклон дисперсионной характеристики 0,063 пс/нм². км, затуха­ние 0,205 дБ/км.

Применение новых типов одномодовых волокон позволило в последних разра­ботках многоканальных систем DWDM вводить в линейное волокно мощность группового оптического сигнала ~+30 дБм (т. е. 1 Вт). В таких системах использованы ОВ не только с большой А_эфф, но и с повышенной очисткой кварца, в результате чего на длине волны 1550 нм получен коэффициент затухания а = 0,151 дБ/км (теоретический минимум ~0,14дБ/км).