Нелинейные эффекты в волоконной оптике подобны нелинейным эффектам в других физических системах (механических или электронных). Они порождают генерацию паразитных гармоник на частотах равных сумме или разности основных частот системы. Эти дополнительные сигналы приводят к непредсказуемым явлениям потерь в оптических сетях связи. Нелинейность волокна не является дефектом производства или конструкции волокна. Это неотъемлемое свойство материальной среды при распространении в ней любой электромагнитной энергии. Как разработчикам, так и операторам волоконно-оптических сетей связи следует учитывать нелинейные эффекты из-за высокой когерентности используемого лазерного излучения. При заданном уровне передаваемой мощности напряженность электрического поля возрастет с увеличением степени когерентности излучаемых волн. Таким образом, в системах WDM c высокой степенью когерентности оптические сигналы даже умеренной мощности могут приводить к нелинейным явлениям.
Нелинейность волокна становится ощутимой, когда интенсивность лазерного излучения (мощность на единицу поперечного сечения) достигает порогового значения. Кроме того, влияние нелинейностей обнаруживается после прохождения сигналом некоторого пути по волокну в зависимости от параметров, конструкции волокна и условий его работы.
Рис. 3.27 Нелинейность проявляется при высоком уровне мощности
Действительно, напряженность электрического поля E распространяющегося оптического сигнала пропорциональна его мощности P , умноженной на квадратичную по полю нелинейную добавку n2 показателя преломления волокна и деленной на эффективную площадь сердцевины волокна Aeff , и может быть представлена как:
E(z + dz) = E(z) exp[(α/2 + iβ + γP(z,t)/2)dz]
где α - затухание в волокне, β - фаза распространяющейся волны, γ - коэффициент нелинейности, равный 2 π/λ (n2/Aeff ). Если предположить, что оптическое излучение распространяется в волокне в виде гауссова пучка, то эффективную площадь можно выразить через диаметр модового поля волокна MFD (Mode Field diameter):
Aeff = π · MFD2
Для волокон со смещенной дисперсией (Рек. ITU-T G.653) и с ненулевой смещенной дисперсией (Рек. ITU-T G.655) эффективная площадь Aeff приблизительно равна 50-60 мкм2, в то время как для волокна со смещенной дисперсией (Рек. ITU-T G.652) она составляет около 80 мкм2. Иногда используют понятие эффективной длины волокна Leff (γ ~ 1/Leff ), дающей тот же эффект, что и величина Aeff. Для типичного одномодового волокна Leff составляет 20 км.
В зависимости от характера поведения нелинейного коэффициента γ все нелинейные явления можно разделить на две категории. Это явления рассеяния (когда действительная часть коэффициента γ дает усиление или затухание) и явления преломления (когда мнимая часть коэффициента γ приводит к фазовой модуляции).
В явлениях рассеяния сигнал лазера рассеивается на звуковых волнах (акустических фононах) или на молекулярных колебаниях волокна (оптических фононах) и смещается в область более длинных волн. Имеют место два следующих эффекта рассеяния:
• вынужденное обратное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама (на акустических фононах);
• вынужденное рамановское или комбинационное рассеяние (на оптических фононах).
В явлениях, зависящих от показателя преломления, при высоком уровне мощности сигнала необходимо учитывать нелинейность показателя преломления:
n = n0 + n2 I,
где n0 - показатель преломления волокна, n2 - коэффициент нелинейности показателя преломления волокна ((2…3) 10-16 см2/Вт для кварцевого волокна), I - интенсивность оптического сигнала.
К явлениям, зависящим от показателя преломления, относятся:
• фазовая автомодуляция или воздействие сигнала на собственную фазу;
• перекрестная фазовая модуляция или воздействие сигнала одного канала на фазу сигнала в другом канале
• четырехволновое смешение или смешение некоторого числа волн с возникнове- нием излучения на новых длинах волн.
Далее на Вынужденное обратное рассеяние Бриллюэна - Мандельштама