Вынужденное неупругое рассеяние.

Вышеупомянутые нелинейные эффекты, связанные с восприимчивостью третьего порядка c⁽³⁾ можно назвать упругим рассеянием света в том смысле, что не происходит обмена энергией между электромагнитным полем и диэлектрической средой. Второй класс нелинейных эффектов вызван вынужденным неупругим рассеянием, при котором оптическое поле передает часть своей энергии нелинейной среде. В эту категорию попадают два важных нелинейных эффекта; оба они связаны с возникновением колебательных мод материала - кварца. Это эффекты вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и рассеяния Мандельштама Бриллюэна (ВРМБ). Они были среди первых нелинейных эффектов, обнаруженных в оптических волокнах. Основное различие между этими эффектами состоит в том, что в ВКР принимают участие оптические фононы. тогда как в ВРМБ - акустические. В простой квантовомеханической модели, применимой и к ВКР, и к ВРМБ, фотон падающего поля (часто называемый накачкой) распадается на фотон меньшей (стоксовой) частоты и фонон, имеющий такие энергию и количество движения, которые соответствуют законам сохранения энергии и количества движения. Фотон с большей энергией (на антистоксовой частоте) может также возникнуть, если поглощается фонон с надлежащими энергией и количеством движения. Вместе с тем, хотя ВКР и ВРМБ по своей природе очень похожи, различие свойств акустических и оптических фононов приводит к некоторым принципиальным различиям между ними. Основное различие заключается в том, что ВРМБ в оптических волокнах происходят только в обратном направлении, а ВКР- преимущественно по направлению распространения.

Полное описание ВКР и ВРМБ в ОВ довольно сложное, но для начального роста стоксовой волны существует простое соотношение. Для ВКР оно дается уравнением

(1.3.7)

где - интенсивность стоксовой волны, - интенсивность накачки и g_R - коэффициент ВКР-усиления. Такое же уравнение имеет место и для ВРМБ, если заменить g_R на коэффициент ВРМБ-усиления g_B.

Оба эти явления носят пороговый характер, хотя и имеют существенные различия: одно наблюдается при мощностях накачки порядка 1 Вт (ВКР), другое - порядка 10 мВт (ВРМБ). Важной особенностью этих явлений является то, что их интенсивность в ОВ может увеличиваться на много порядков (до 10 раз на длине волны 1550 нм при затухании 0,2 дБ/км ), создавая возможность для оптического усиления. Благодаря этому оба эти явления используются в оптических усилителях, имеющих одноименные названия: ВКР-усилители (рамановские или комбинационные усилители) и ВРМБ-усилители .

Самое существенное свойство комбинационного усиления в волокнах из плавленого кварца большой частотный диапазон g_R (до 40 ТГц) с широким максимумом усиления возле 13 ТГц. Такое поведение связано с некристаллической природой стекла. В аморфных материалах, таких, как плавленый кварц, полосы частот молекулярных колебаний перекрываются и создают континуум. В результате комбинационное усиление в кварцевых ОВ существует в широком диапазоне частот в отличие от большинства сред, где оно возникает на специфических, вполне определенных частотах. Благодаря этому свойству волокна могут действовать как широкополосные усилители.

Достоинство ВКР – возможность создания усилителей. Недостатки – перекачка полезной энергии в излучение другой частоты и возникновение перекрестных искажений в многоканальных системах.

Явление ВРМБ стало предметом более пристального изучения в последнее время в связи с значительным усовершенствованием систем передачи на одной несущей и достижением близких к предельным показателей по длине пролета (участка тракта, покрываемого одной усилительной секцией), за счет использования все более мощных лазерных источников излучения, а также показателей по скорости передаваемого сигнала, за счет увеличения разрешающей способности (степени монохроматичности) лазерного сигнала. В обоих случаях происходит увеличение плотности потока оптической энергии, приводящее к усилению нелинейных эффектов, которые в первую очередь проявляются через ВРБМ, учитывая, что оно имеет самый низкий порог возникновения. Возникнув, ВРБМ само приводит, при определенных уровнях излучения накачки, к возникновению пороговых явлений, ограничивающих мощность полезного распространяющегося сигнала. Физическая суть явления такова.

Фонон, рождаемый в схеме указанного процесса, возбуждает акустические волны, распространяющиеся в том же направлении, но со значительно меньшей скоростью (порядка 5 км/с) за счет эффекта электрострикции (основная волна распространяется в ОМ 0В с фазовой скоростью порядка 204 000 км/с). Они создают пространственные колебания плотности в волокне (сгустки и разрежения), приводя к локальному изменению показателя преломления - эффекту фотоупругости.

Фотон, также рождаемый в схеме этого процесса, формирует стоксову волну, которая распространяется в обратном направлении и называется волной обратного рассеяния. Ее интенсивность тем выше, чем больше эффект фотоупругости, а он, в свою очередь, тем больше, чем выше уровень накачки. При некотором его уровне, называемом пороговым уровнем ВРБМ, начинает резко увеличиваться интенсивность волны обратного рассеяния, что ухудшает эффективность передачи основного сигнала. При дальнейшем увеличении подаваемого в 0В сигнала интенсивность основного сигнала перестает расти и даже начинает падать.

Таким образом, что ВРБМ приводит к двум эффектам:

- установлению верхней границы оптической мощности, эффективно используемой системой (увеличение длины пролета, например, за счет увеличения мощности источника сигнала оказывается ограниченным величиной порогового уровня ВРБМ);

- ухудшению качества основного сигнала за счет взаимодействия основной волны с волной обратного рассеяния, а также с волной двойного обратного рассеяния, возникающей за счет отражения волны обратного рассеяния.

Пороговый уровень ВРБМ зависит от ряда факторов:

1) ширины линии лазерного источника (чем она шире, тем пороговый уровень выше);

2) эффективной площади поперечного сечения 0В (чем он больше, тем лучше);

3) длины 0В (при длине до 10 км проблем с ВРБМ не возникает) и

4) технологии модуляции сигнала (лазерный источник с непосредственной модуляцией имеет ширину порядка 1 ГГц, а с внешней модуляцией - 1МГц).

Поиск по сайту: