Почему в стекловолокне может образоваться оптический солитон?

Ответ: В достаточно длинных волоконных световодах могут проявляться нелинейные оптические эффекты:

- вынужденное рамановское (комбинационное) рассеяние (ВКР);

- вынужденное рассеяние Мандельштама – Брюллиэна (ВМБР);

- фазовая самомодуляция (самофокусировка); четырехфотонное или четырехволновое смешивание.

Вынужденное рассеяние света обусловлено нелинейным взаимодействием сильного электромагнитного поля излучения с электромагнитным полем атомов физической среды (в рассматриваемом случае – в стекловолокне). Свет рассеивается на элементарных возбуждениях среды, индуцированных рассеиваемой средой. При возбуждении (индуцировании) среды мощным световым источником происходит модуляция ее параметров, что приводит к амплитудной модуляции рассеянного света, а, следовательно, к появлению в нем новых спектральных компонентов. Их называют стоксовыми и антистоксовыми компонентами. Взаимодействие световой волны с инверсной средой в литературе получило название фотон - фононное взаимодействие. При этом фононом называют квант энергии, возникающий в процессе рассеяния фотона. Наиболее важными видами рассеяния являются вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама-Брюэллена (ВРМБ).

ВКР связано с возбуждением новых колебательных уровней частиц среды (электронов) и в меньшей степени – вращательных энергетических уровней этих частиц.

ВРМБ приводит к появлению в среде гиперзвуковых волн, интенсивность которых зависит от частоты следования импульсов накачки и для импульсов короче 10 нс может почти исчезнуть. В отличие от ВКР, излучение, рассеянное по механизму Мандельштама – Бриллюэна, распространяется только в направлении, противоположном подающему.

ВКР наблюдается при мощностях накачки более 1 Вт. ВРМБ наблюдается уже при мощности более 1 мВт.

Явление фазовой самомодуляции (ФСМ) или самофокусировка, или фазовой кроссмодуляции (ФКМ) вызвано зависимостью показателя преломления сердцевины волокна, т.е. фазы выходного сигнала, от интенсивности оптического сигнала

n¢_{1 =}n₁₊ Δn(E²),

где n1 – показатель преломления сердцевины стекловолокна при отсутствии внешнего электромагнитного поля, Е 2 – параметр мощности световой волны;

n–приращение показателя преломления, вызванное внешним электрическим полем с напряженностью Е (~ 10 10 В/м).

При мощности сигнала более 10 мВт в стандартном одномодовом волокне возникает ФСМ, способствующая сжатию импульсов, т.е. сигнал воздействует сам на себя, сокращая разность фазовых скоростей спектральных составляющих. Образование ФКМ может приводить при передаче нескольких оптических каналов к их взаимным влияниям.

Четырехволновое смешение заключается в том, что при наличии двух попутных волн (2-х каналов) с частотами f1 и f2 (f1 не равно f2), возникают еще две волны с частотами 2 f1 – f2 и 2 f2 – f1, распространяющиеся в том же направлении и усиливающиеся за счет исходных. Разумеется, что при большем числе волн спектр еще больше расширится. Четырехволновое смешение проявляется уже при мощностях сигналов более 10 мВт и имеет прямое отношение к ФКМ.

Необходимо отметить, что нелинейные эффекты в стекловолокне играют не только негативную роль, т.е. ограничивают дальность скорость передачи, но и позволяют в режиме ВРМБ выделять и вводить оптические каналы, а в режиме ВКР – реализовывать усиление оптических сигналов. Особую роль может играть явление ФСМ для формирования и передачи оптических солитонов.

Уникальность солитона состоит в том, что дисперсия групповой скорости, которая определяется длительностью оптического импульса, полностью уравновешивается нелинейным изменением показателя преломления ( n (Е 2)).

Достаточно точное описание условий существования оптических солитонов получено при решении уравнения Шредингера [15].

Примеры некоторых условий существования солитонов. Критическая мощность сигнала

Pкр= D x S,

Где S= π ´ a 2, a – радиус пятна моды в стекловолокне,

0 0

к 0 = (f 0´ n 1) c, f_{0- центральная} частота спектра сигнала, n_{1 –} показатель преломления сердцевины ОВ, с –скорость света в вакуме, Dn=3,2´10-10см 2/Вт–значение нелинейного коэффициента, характеризующего добавку к действительной части показателя преломления, t0 – длительность импульса на уровне 0,5 от максимальной мощности, D –

коэффициент дисперсии.

Период столкновения солитонов солитоны могут сталкиваться

ТС = 2y t 0

0 < e < 1.

Скорость передачи информации солитонами при длине столкновения L

составит

(10.4)

Также важным условием существования солитонов является усиление, которое может быть сосредоточенным в волоконном усилителе и может быть обеспечено рамановским рассеянием.

Рисунок 7.26 Динамика солитона 3-го порядка

Солитоны в процессе распространения меняют свою форму, распадаясь на группы импульсов и затем снова собираясь. Эта сложная динамика определяется многими факторами: фазовой самомодуляцией, дисперсией групповых скоростей, мощностью и длительностью импульсов и т. д. На рис.7.26 приведен пример динамики солитона.

МАРИНА

Поиск по сайту: