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 [106]. Наиболее важными видами рассеяния являются ВКР и 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

(10.1)

где n₁ – показатель преломления сердцевины стекловолокна при отсутствии внешнего электромагнитного поля, Е ² – параметр мощности световой волны; D 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 ¹ 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 (D n (Е ²)).

Достаточно точное описание условий существования оптических солитонов получено при решении уравнения Шредингера [23, 38, 43, 62, 63, 103, 104].

Примеры некоторых условий существования солитонов.

Критическая мощность сигнала

(10.2)

где - радиус пятна моды в стекловолокне, f₀ – центральная частота спектра сигнала, n ₁ – показатель преломления сердцевины ОВ, с – скорость света в вакууме,

D n = 3,2´ 10 ^-10 см²/Вт – значение нелинейного коэффициента, характеризующего добавку к действительной части показателя преломления, t ₀ – длительность импульса на уровне 0,5 от максимальной мощности, D – коэффициент дисперсии.

Период столкновения солитонов - расстояние, на котором соседние солитоны могут сталкиваться

Т_С = 2y t ₀ (10.3)
где 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 [42].

Рисунок 10.2. 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 рисунке 10.2 приведен пример динамики солитона.