XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение.

 

Среди огромного количества новых научных и технических возможностей, открывшихся после создания лазеров, особое место занимают новые направления исследований, возникшие в самой оптике. Одним из важных и наиболее интересных направлений является исследование зависимости характера оптических эффектов в различных средах от интенсивности света [1,2]. Эти исследования стали возможны после создания лазеров и привели к возникновению новой области физики – нелинейная оптика.

Начало современного этапа в развитии нелинейной оптики (1961) связано с созданием лазеров, которое открыло возможности изучения и использования нелинейных явлений фактически во всех областях физики и прикладной оптики. С появлением лазеров оптика получила источники когерентного излучения большой мощности. С помощью импульсных лазеров можно получить интенсивности света. Мощные лазерные системы позволяют получить. Напряжённости светового поля  ( пропорционально ) в таких пучках сравнимы или даже превышают внутриатомные поля. В таких световых полях возникают новые оптические эффекты и существенно изменяется характер уже известных явлений. Вместе с тем ясные представления о том, что законы линейной оптики носят приближённый характер и применимы лишь для не слишком сильных световых полей, существовали и до появления лазеров. Около 50 лет назад С. И. Вавиловым были поставлены эксперименты с целью обнаружения нелинейных явлений. В 1923 г. Вавилов и В. Л. Лёвшин обнаружили уменьшение поглощения света урановым стеклом с ростом интенсивности света и объяснили это тем, что в сильном электромагнитном поле большая часть атомов (или молекул) находится в возбуждённом состоянии и уже не может поглощать свет. Считая, что это лишь один из множества возможных оптических нелинейных эффектов, Вавилов впервые ввёл термин «Нелинейная оптика». В 50-х гг. Г. С Горелик теоретически рассмотрел возможность наблюдения ряда нелинейных оптических эффектов с помощью фотоэлектрических умножителей. Один из них – смещение оптического дублета с выделением разностной частоты, лежащей в диапазоне СВЧ (гетеродинирование света), - наблюдали в 1955 г. А. Форрестер, Р. Гудмундсен и П. Джонсон (США). К нелинейной оптике в широком смысле относятся и хорошо известные электрооптические эффекты (линейный эффект Поккельса и квадратичный эффект Керра). Оказалось, что влияние низкочастотного электрического поля на показатель преломления среды имеет ту же физическую природу, что и такие нелинейно-оптические явления, как генерация оптических гармоник и смещение частот. В 1961 г. П. Франкен с сотрудниками (США) открыл эффект удвоения частоты света в кристаллах – генерацию 2-й гармоники. В 1962 г. Наблюдалось утроение частоты (генерация 3-й гармоники). В 1961-1963 гг. в СССР (Р. В. Хохлов, С. А. Ахманов) и в США (Н. Бломберген) были получены фундаментальные результаты в теории нелинейных оптических явлений, заложившие теоретические основы нелинейной оптики. В 1962-1963 гг. открыто и объяснено вынужденное и комбинационное рассеяние света, что послужило толчком к изучению вынужденного рассеяния других видов. В 1965 г. обнаружена самофокусировка света [1]. При этом мощный световой пучок, распространяясь в среде, во многих случаях не испытывает обычной, так называемой дифракционной, расходимости, а, напротив, самопроизвольно сжимается. В 1965 г. были созданы параметрические генераторы света, в которых нелинейные оптические эффекты используются для генерирования когерентного оптического излучения, плавно перестраиваемого по частоте в широком диапазоне длин волн. В 1967 г. началось исследование нелинейных явлений, связанных с распространением в среде сверхкоротких (длительностью до) световых импульсов. С 1969 г. развиваются методы нелинейной и активной спектроскопий [2].

 К явлениям, зависящим от показателя преломления, относятся:

1) фазовая автомодуляция или воздействие сигнала на собственную фазу;

2)перекрестная фазовая модуляция или воздействие сигнала одного канала на фазу сигнала в другом канале;

3)четырехволновое смешение или смешение некоторого числа волн с возникновением излучения на новых длинах волн.

Рассмотрим семь различных явлений нелинейной оптики:

1. Вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS);
Вынужденное рассеяние возникает тогда, когда падающий сигнал рассеива­ется [3]. Это рассеяние может быть как в прямом, так и в обратном направле­ниях (рис.1), и объясняется действием одного или нескольких механизмов . В каж­дом случае, свет сдвигается в область длинных волн. Например, при длине волны 1550 нм рассеянный свет сдвигается вправо (рассеяние Бриллюэна примерно на 11 ГГц).

Рис. 1. Обратное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама приводит к возникновению сигнала с понижением частоты на 11 ГГц

При вынужденном обратном рассеянии Бриллюэна-Мандельштама сигнал лазера создает периодические области с переменным показателем преломления, т.е. дифракционную решетку, которая расходится от оптического пучка подобно акустической волне. Отражения, вызванные этой виртуальной решеткой, усиливаются (складываются) и обнаруживаются в форме обратно рассеянного света со сдвигом в область длинных волн. Данное явление может приводить к значительному повышению уровня шумов и нестабильности распространения оптического сигнала, так как большая часть его мощности рассеивается назад.
Вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS) имеет наинизшую пороговую мощность. Было показано, что порог SBS может изменяться в зависимости от типа волокна и даже среди отдельных волокон. Как правило, он имеет порядок 5-10 мВт для узкополосных источников света с внешней модуляцией. Для лазеров с непосредственной модуляцией эта мощность может быть порядка 20-30 мВт.
2 — вынужденное Рамановское рассеяние (SRS);
Вынужденное рассеяние Рамана (SRS) вызывает ухудшение сигнала только тогда, когда уровень оптической мощности оказывается высок [4]. Его влияние чем-то похоже на рассеяние Бриллюэна, но излучение света сдвигается в область существенно более низких частот (между 10 и 15 ТГц) для 1550 нм окна (рис.2). Кроме этого сдвинутая низкочастотная составляющая имеет значи­тельно более широкую полосу, чем полоса Бриллюэна (около 7 ТГц). В системах WDM влияние этого типа рассеяния заключается в перераспреде­лении мощности из коротковолновых в длинноволновые каналы. В этом случае это явление работает как рамановский усилитель и длинноволновые каналы усиливаются за счет коротковолновых каналов до тех пор, пока раз­ница в длинах волн лежит в полосе частот рамановского усиления. Это яв­ление может возникнуть в кварцевом волокне, где усиление может стать результатом использования шага между каналами 200 нм.

Рамановских перекрестных помех можно избежать, если мощ­ности каналов сделать такими малыми, что рамановское усиление окажется незначительным на всей длине волокна. Особое внимание должно быть уде­лено SRS тогда, когда несколько усилителей включено последовательно друг с другом. Эти усилители добавляют шум, который теряет от рамановского рассеяния меньше, чем желаемый сигнал. В результате происходит ухудше­ние отношения сигнал/шум на удаленном конце у приемника.

При использовании одноканальных систем нежелательные участки спектра могут быть убраны с помощью фильтров. Однако для WDM систем до сих пор практически нет технических приемов, позволяющих устранить влия­ние SRS. Вместе с тем влияние SRS можно снизить путем уменьшения вход­ной оптической мощности.

Рис. 2 - Комбинационное рассеяние (Рамана) имеет очень широкий пик

3 - фазовая самомодуляция (SPM);

Когда выходной уровень источника света становится слишком большим, сиг­нал может модулировать свою собственную фазу [5]. Как подразумевает само название, это явление является фазовой самомодуляцией (SPM). Это приводит к уширению переданного импульса и временному расширению или сужению сигнала. Что происходит, расширение или суже­ние, зависит от знака (положительного или отрицательного) хроматической дисперсии. В результате происходит сдвиг фронта импульса в сторону до длинных волн и сдвиг среза импульса в сторону коротких волн.

Фазовая самомодуляция увеличивается с увеличением передаваемой мощности. Ее действие становится более деструктивным, только увеличивается скорость передачи в канале и время нарастания пульса становится короче. Она также увеличивается при наличии отрицательной хроматической дисперсии.

На SPM не оказывает существенного влияния уменьшение шага между каналами в системах WDM или увеличение числа каналов (рис.3). Влияние фазовой самомодуляции уменьшается, если хроматическая дисперсия нулевая или небольшая по величине, или при увеличении площади эффективной области оптоволокна.

В общем случае влияние SPM значительно только в системах с высоким значением накопленной дисперсии или в системах очень большой протяженности. Оптоволоконные системы, имеющие ограниченную накопленную дисперсию, могут не вызывать эффектов, характерных для SPM. В системах WDM с очень малым шагом между каналами, спектральное уширение, вносимое действием SPM, может также вызвать интерференцию между соседними каналами.4

- четырехволновое смешение (ЧВС

Оно может полностью вывести из строя систему WDM. Оно появляется тогда, когда интенсивность лазерного сигнала достигает критического уровня. ЧВС заявляет о себе появлением побочных сигналов, некоторые из которых мо­гут соответствовать частотам рабочих каналов. Всякий раз, когда три или более сигналов распространяются по волокну, можно ожидать возникнове­ния четырехволнового смешения (рис.4). Эти три световых сигнала: ωi., ωj, ωk, гене­рируют четвертый сигнал ωijk, подчиняющийся соотношению:

ωijk = ωi + ωj – ωk

ЧВС может возникать даже в одноканальных системах между рабочим сигналом и составляющими ASE ОУ, а также между основной и боковыми модами. В случае двух сигналов, модуляция по интенсивности на частоте биений модулирует показатель преломления волокна и возбуждает фазовую модуляцию разностной частоты, которая (в свою очередь) создает две боко­вые полосы с частотами, порождаемыми этой разностью. В случае трех сиг­налов формируется больше составляющих из смеси суммарно-разностных частот большей амплитуды, некоторые из которых в точности соответствуют рабочим частотам соседних каналов, если шаг между канала­ми в системе одинаков. Две оптических волны, распространяющиеся вдоль волокна, генерируют ЧВС с высокой степенью эффективности, если согла­суются фазовые сдвиги между частотами боковых полос и начальным сигна­лом.

В системах WDM и, в особенности, DWDM, влияние ЧВС особенно разрушительно [6]. В системах DWDM с числом каналов N общее число возникающих в результате действия ЧВС частот составляет:

N2 (N- l)/2

где   – число каналов, передающих сигналы. Таким образом, в четырехканальной системе WDM возникает 24 ложных сигнала, а в 16-канальной уже 1920, рисунок 4.14. Помехи такого типа могут стать катастрофическими для приемного устройства на конце линии.

Рис. 4. Четырехволновое смешение приводит к появлению нежелательных сигналов в спектральном диапазоне систем передачи

Уровень ЧВС чувствителен к следующим системным характеристикам:

- увеличению мощности в канале;

- увеличению числа каналов;

- уменьшению шага между каналами.

Так уровень ЧВС резко снижается в системах с шагом 200 ГГц, по срав­нению с системами с шагом 100 ГГц. ЧВС уменьшается с уменьшением абсолютной величины хроматической дисперсии.

Действие четырехволнового смешения нужно учитывать в системах, использующих волокно со смещенной дисперсией. Оно менее критично в волокнах с ненулевой смещенной дисперсией, особенно в волокнах с большой эффективной площадью. Увеличение скорости передачи в канале незначительно влияет на эффективность четырехволнового смешения.

Влияние четырехволнового смешения уменьшается при:

· увеличении эффективной площади волокна;

· увеличении абсолютного значения хроматической дисперсии.

Явление четырехволнового смешения менее опасно в системах DWDM, использующих волокно с несмещенной дисперсией на длине волны 1550 нм, так как дисперсионная характеристика в этом случае относительно пологая. Для волокна со смещенной дисперсией дисперсионная кривая имеет крутой наклон в этом диапазоне и явление FWM необходимо учитывать.

5 - модуляционная нестабильность (MI);

Модуляционная неустойчивость (MI) приводит к превращению непрерывно­го сигнала или импульса в модулированную структуру [6]. Ее можно наблюдать в режиме аномальной дисперсии (т.е. выше длины волны нулевой дисперсии), где квазимонохроматический сигнал имеет тен­денцию спонтанно генерировать две симметричные спектральные боковые полосы. Сдвиг частот и усиление боковых полос определяется интенсивностью исходной волны, а также дисперсией и нели­нейными коэффициентами волокна.

MI можно рассматривать как частный случай ЧВС, где два фотона вход­ного сигнала преобразуются в два фотона с различными частотами.

Влияние MI можно уменьшить или путем уменьшения уровня мощности или путем выбора диапазона рабочих длин волн ниже точки нулевой дис­персии звена. Управление дисперсией - еще один возможный вариант сни­жения продуктов боковых полос MI. Другими словами, принятый сигнал должен быть электрически отфильтрован для снижения уровня паразитного усиленного шума. Воздействие, вызванное MI, можно существенно умень­шить путем использования лазеров с внешней модуляцией, дающих более узкий спектр.

Рис. 5.Солитон огибающей

6 — формирование солитона;

Влияние дисперсии на переданный импульс состоит в его уширении по мере того, как он распространяется по волокну. Солитон — это импульс, который не изменяет своей формы по мере того, как он распространяется по волокну (рис.5). Он не уширяется под влиянием дисперсии и нелинейностей волокна.

Солитон демонстрирует баланс между нелинейностью и дисперсией. Нелинейности волокна противодействуют накапливанию дисперсии при распространении импульса по волокну.

Более специфическое определение приведено: оптический соли­тон является результатом баланса между дисперсией групповых скоростей — ДГС (GVD) и фазовой самомодуляцией — ФСМ (SPM) [7].

Что же ограничивает длину или поддерживаемую скорость передачи солитонной линии связи?

- Уширение солитонного импульса за счет потерь. Солитонный импульс должен поддерживать достаточно большую амплитуду. Если этого происходит, солитонный импульс уширяется. Уменьшенная пико мощность ослабляет нелинейные эффекты, необходимые для противодействия влиянию ДГС. Использование волоконно-оптических усилителей (например, типа EDFA) может вернуть солитону необходимый уровень пиковой мощности.

- Шум усилителя. Усилители, необходимые для восстановления энергии солитона, добавляют шум, источником которого является усиленное спонтанное излучение (ASE).

- Дрожание фазы (джиттер) за счет линейных оптических усилителей. Джиттер является тем механизмом, который вносит отклонение позиции солитона от исходно предписанной позиции - в центре битового интервала. В идеальном случае все солитоны прибывают к приемнику на удаленном конце в центре предписанного им битового интервала. Отклонения от этого идеального положения могут вызвать взаимодействие солитонов и ухудшение показателя BER.

Эффекты, вызванные формированием солитонов, могут наблюдаться в ВОС использующих волокна типа G.652, G.653 и G.655. Как было сказано, формирование фундаментального солитона может быть полезным, однако, солитоны другого порядка приводят к существенному ухудшению передаваемого сигнала. Следовательно, формирование солитонов более высокого порядка устанавливает предел максимальной мощности, которая может бы введена в волокно (рис.6).

Рис. 6. Динамика спектра солитона 3-го порядка на длине, равной периоду солитона

Образование солитона можно избежать, если ВОСП работает на длине волны ниже длины волны нулевой дисперсии данной линии передачи. Однако, в этом режиме работы не только не поддерживается солитонная передача, но и происходит уширение импульса как за счет влияния дисперсии, так и за счет нелинейностей. В этом случае ухудшение сигнала можно уменьшить только за счет надлежащего управления дисперсией по длине линии передачи.

7 — фазовая кросс-модуляция.

В системах WDM, и в особенности в системах DWDM, фазовая кросс-моду­ляция — ФКМ (ХРМ) будет постепенно расширять спектр сигнала, когда изменения оптической интенсивности приведут к изменениям, вызванным взаимодействием между соседними каналами. Количественная величина такого расширения, вносимого ФКМ, зависит от шага между каналами, потому что внесенные дисперсией дифференциальные групповые скорости будут вызывать дальнейшее отделение взаимодействующих импульсов при их движении по волокну. Как только спектральное расширение вносится ФКМ, сигнал испытывает большее временное уширение при его движении вдоль волокна, благодаря влиянию хроматической дисперсии.

Ухудшения, вызванные ФКМ, наиболее существенно проявляются в систе­мах, использующих волокно типа G.652 и G.655. Уширение за счет ФКМ может привести к интерференции (взаимовлиянию) соседних каналов в си­стемах WDM.

Уровнем ФКМ можно управлять путем надлежащего выбора разноса кана­лов в системах WDM/DWDM. Исследования показали, что в системах WDM только соседние каналы вносят значительный вклад в искажения сиг­нала, вызванного возникновением ФКМ. Отношение сигнал/шум централь­ного канала в системе, имеющей три канала, достигнет того же уровня, что и в системе с одним каналом, только при увеличении шага между каналами. В результате этого, влияние ФКМ может быть сделано ничтожно малым, если адекватно выбрать шаг между каналами (рис.7). При моделировании системы с уровнем мощности в канале 5 мВт было показано, что шаг порядка 100 ГГц вполне достаточен, чтобы значительно уменьшить влияние ФКМ. До­полнительные ухудшения за счет дисперсии, вызванные наличием ФКМ, также могут быть управляемы при установке в системе через определенные интервалы модулей компенсации дисперсии.

Нелинейное рассеяние света и его применение

После создания лазеров в 1961–1963 гг. были получены фундаментальные результаты в теории нелинейных оптических явлений, в частности в области нелинейного рассеяния света, при котором нарушается прямо пропорциональная зависимость интенсивности рассеянной компоненты от интенсивности падающего излучения. С развитием оптоволоконных систем передачи информации обнаружилось, что эффекты, связанные с нелинейным рассеянием света, могут играть как положительную, так и отрицательную роль с точки зрения технической эффективности.

В настоящем разделе рассматриваются два подобных явления – вынужденное комбинационное рассеяние и вынужденное рассеяние Мандельштама – Бриллюэна, которые широко применяются в современных оптоволоконных технологиях и ярко выражены лишь при больших интенсивностях света.

Список литературы

1. Бломберген, Н. Нелинейная оптика / Н. Бломберген. - М.:  2016. - 225 c.

2. Розанов Н.Н. Нелинейная оптика распространения излучения и нелинейный отклик среды. – СПб: СПб, ГУИТМО.2008. -95 с.

3. https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fobuchalka.org%2F2014110180361%2 Fnelineinaya-volokonnaya-optika-agraval-g-1996.html&el=snippet
4. https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fpstu.ru%2Ffiles%2Ffile%2FFPMM%2Fof%2 Fbvg%2Fbesprozvannyh_pervadchuk_nelinejnie_effecti.pdf&cc_key=
5. https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fwww.booksite.ru%2Ffulltext%2F1%2F001%2 F008%2F080%2F980.htm&el=snippet
6. https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fspravochnick.ru%2Ffizika%2Ffizicheskaya_ optika%2Fnelineynaya_optika%2F&cc_key=
7. Беспалов В. И., Пасманик Г. А. Нелинейная оптика. М.: “Наука”, 1986. 136 с.

Код для цитирования: Скопировать