Нелинейные эффекты в оптических волокнах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное Государственное Образовательное Бюджетное Учреждение

Высшего Профессионального Образования

“Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики”

РЕФЕРАТ

На тему: «Нелинейные эффекты в оптических волокнах»

Выполнила:

студентка группы М-84

Федорова М.А.

Проверил:

Кураш Ф.И.

Новосибирск 2012

Содержание

1. Нелинейные оптические эффекты

2. Фазовая самомодуляция

3. Вынужденное Рамановское рассеяние в стекловолокне

4. Вынужденное рассеяние Брюэллена

5. Четырехволновое смешение

6. Модуляционная нестабильность в стекловолокне

7. Формирование солитона в волоконном световоде

8. Применение вынужденного рассеяния Рамана в волоконном световоде

9. Применение вынужденного рассеяния Брюэллена

10. Возможности снижения нелинейных эффектов

10.1 Возможности снижения фазовой модуляции

10.2 Возможности снижения вынужденного Раманновского рассеяния

10.3 Возможности снижения Брюэлленовского рассеяния

10.4 Возможности снижения четырехволнового смешения

10.5 Возможности снижения модуляционной нестабильности

10.6 Возможности снижения солитона

Список литературы

1. Нелинейные оптические эффекты

С появлением оптических усилителей нелинейные эффекты в оптических волокнах стали одним из основных факторов, ограничивающих ретрансляционного участка волоконных линий передачи и их пропускную способность.

С ростом емкости ВОСП очевидна тенденция увеличения мощности сигнала. А нелинейные эффекты проявляются, как известно, только при достаточно больших мощностях света. Первоначально, согласно Rec. ITU-T G.622, величина мощности, вводимой в волокно, ограничивалась 17 дБм (на длине волны 1550 нм), а затем она была увеличена до 19 дБм. В настоящее время ряд компаний представили DWDM системы, в которых уровень мощности увеличен до 30 дБм.

При малых мощностях взаимодействие света со средой пропорционально первой степени от мощности света, т.е. представляет собой линейный эффект. Хорошим примером линейного эффекта является поглощение света в волокне: количество поглощенной мощности прямо пропорционально мощности света распространяющейся в волокне. Нелинейные же эффекты пропорциональны более высоким степеням от мощности света, и их вклад быстро увеличивается с ростом мощности.

Оптические волокна обладают двумя специфическими свойствами, которые обуславливают высокую эффективность протекания в них нелинейных процессов. Во-первых, свет сконцентрирован на малой площади вблизи сердцевины волокна. Во-вторых, такая высокая концентрация света сохраняется на всей многокилометровой длине волокна.

В волокне длина взаимодействия ограничена тем, что интенсивность света уменьшается из-за потерь в волокне, и ее вклад в суммарный нелинейный эффект существенен только на начальном участке.

2. Фазовая самомодуляция

Когда выходной уровень источника света становится слишком большим, сигнал может модулировать свою собственную фазу. Как подразумевает само название, это явление является фазовой самомодуляцией (SPM). Как показано на рис. 2, 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 длинных волн и сдвиг среза импульса в сторону коротких волн.

Эффекты ухудшения передачи

Как можно ожидать, фазовая самомодуляция увеличивается с увеличением передаваемой мощности. Ее действие становится более деструктивным, как только увеличивается скорость передачи в канале и время нарастания импульса 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. 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.

При использовании стандартного волокна типа G.652, SPM, в зависимости от передаваемой мощности, может приводить к сжатию импульсов для сигналов с небольшим чирпом, модулированных по интенсивности, как и при использовании волокна типа G.655 с аномальной дисперсией. Сжатие импульса противодействует влиянию хроматической дисперсии и дает некую приспособленность к действию дисперсии. Существует, однако, предел максимальной дисперсии и связанная с ним максимальная длина передачи.

Рис. 2.1 Механизм спектрального уширения за счет фазовой самомодуляции

3. Вынужденное Рамановское рассеяние в стекловолокне

Вынужденное рассеяние Рамана (SRS) вызывает ухудшение сигнала только тогда когда уровень оптической мощности оказывается высок. 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. Кроме этого сдвинутая низкочастотная составляющая имеет значительно более широкую полосу, чем полоса Бриллюэна (около 7 и 11ц). 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.

Физическая причина явления вынужденного рассеяния Рамана состоит в поглощении фотона молекулой, использовании части энергии фотона на возбуждение колебаний этой молекулы, а оставшейся части энергии - на испускание фотона с более низкой частотой.

Перекрестные помехи возникают, когда по волокну передаются сигналы на двух или больше длинах волн. При этом сигналы на длинах волн усиливаются за счет ослабления сигналов на коротких длинах волн. В DWDM системе со многими близко расположенными спектральными каналами это приводит к появлению наклона в спектре передаваемой мощности, величина которого пропорциональна мощности в канале. Т.к. мощность в каналах системы не должна сильно различаться, то SRS приводит к ограничению максимальной мощности в канале.

4. Вынужденное рассеяние Брюэллена

Вынужденное рассеяние возникает тогда, когда падающий сигнал рассеивается. Это рассеяние может быть как в прямом, так и в обратном направлениях, 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 примерно на 11 ГГц.

Вынужденное рассеяние Брюэллена (SBS) имеет наинизшую пороговую мощность. 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.

Физическая причина явления вынужденного рассеяния Брюэллена состоит в том, что интенсивная волна света, распространяющегося в прямом направлении, и первоначально слабая волна рассеянного назад света, а также тепловая упругая волна нелинейно взаимодействуют друг с другом (за счет явления электрострикции). В результате такого взаимодействия в волокне возникают волны показателя преломления, движущиеся со скоростью звука.

Часть распространяющегося в прямом направлении света рассеивается на волнах показателя преломления назад со сдвигом частоты. Это приводит не только к ослаблению сигнала, передаваемого по волокну в прямом направлении, но и к появлению дополнительных вариаций частоты и амплитуды источника излучения при попадании в него отраженного излучения.

SBS ограничивает количество световой энергии, которое может быть передано по волокну.

5. Четырехволновое смешение

Четырехволновое смешение (FWM - Four Wave Mixing) приводит к появлению новых частот, часть из них попадает в каналы DWDM системы и вызывает перекрестные помехи. Для появления новых частот достаточно, чтобы в нелинейном взаимодействии участвовали по крайней мере две световые волны с близкими частотами (f1 и f2). Тогда появившиеся при нелинейном взаимодействии частоты (2f1 - f2 и 2f2 - f1) будут близки к исходным (рис. 5).

Для уменьшения перекрестных помех, возникающих из-за FWM эффекта, необходимо, чтобы длина волны нулевой дисперсии волокна не попадала в рабочий диапазона длин волн.

Если же в нелинейном взаимодействии участвуют три световые волны с близкими частотами , то некоторые из вновь возникших комбинационных частот также будут близки к исходным частотам и попадут в спектральные каналы DWDM системы. Поэтому это явление принято называть четырехволновым смешением (частота появившейся новой четвертой волны близка к частотам трех породивших ее волн).

Уменьшение эффективности FWM при увеличении дисперсии волокна объясняется тем, что она приводит к нарушению фазового синхронизма смешиваемых волн и, следовательно, уменьшает длину их взаимодействия.

Уровень ЧВС чувствителен к следующим системным характеристикам:

- увеличению мощности в канале;

- увеличению числа каналов;

- уменьшению шага между каналами.

Так уровень FWM резко снижается в системах с шагом 200 ГГц, по сравнению с системами с шагом 100 ГГц.

Возможности снижения этих эффектов

Дисперсия может быть использована для подавления генерации боковых полос FWM. Например, это может быть дисперсия, характерная для волокна типа G.655. Для уменьшения влияния эффектов за счет FWM, может быть использован также неравномерный шаг между каналами. Снижение уровня входной мощности в системах, работающих на волокне типа G.653, делает возможным использование многоканальных систем, но может оказаться компромиссным решение использовать экономические преимущества оптического усиления.

Для того чтобы адекватно подавлять генерацию продуктов FWM, в промышленности было предложено использовать волокно с минимальной допустимой (но не нулевой) дисперсией в области усиления ОУ. Как потенциально пригодный, рассматривается также вариант чередования пролетов, использующих волокно с ненулевой дисперсией и волокно с противоположной по знаку дисперсией, учитывая, что в результате среднее значение хроматической дисперсии близко к нулю.

Как средство снижения влияния нелинейных эффектов, позволяющее использовать системы DWDM на волокне G.653, было также предложено использовать неравномерный шаг между каналами и увеличение этого шага. Неравномерный шаг позволяет быть уверенным, что продукты FWM, генерируемые тремя и большим числом каналов, не попадут непосредственно на частоты других рабочих каналов. Однако возможность переноса мощности сигналов в продукты смешения (т.е. обеднение мощности сигнала) остается и при неравномерном шаге и все еще может привести к сужению глазковой диаграммы. Увеличенный шаг также уменьшает влияние FWM. Использование этих технологий уменьшения влияния FWM может быть ограничено сужением общей полосы используемого спектра усиления при последовательном включении ряда оптических усилителей.

6. Модуляционная нестабильность в стекловолокне

Модуляционная нестабильность (MI - Modulation Instability) наблюдается только в волокнах с положительной дисперсией. Во временном представлении оно проявляется в виде пичков на импульсах, а в спектральном представлении - как уширение спектра импульса.

Появление пичков на импульсах связано с эффектом самовоздействия волн. Этот эффект приводит к тому, что длина волны на заднем фронте импульса оказывается короче длины волны на переднем фронте. Волокно с положительной дисперсией ускоряет волну заднего фронта сильнее, чем более длинную волну переднего фронта. Когда задний фронт входит во взаимодействие с передним фронтом, возникает интерференция, которая и служит причиной образования пичков на передаваемых импульсах. После детектирования оптического сигнала и последующей электрической фильтрации амплитуда пичков уменьшается так, что они не оказывают существенного влияния на работу систем протяженностью менее 1000 км.

Модуляционная нестабильность (MI) может уменьшить отношение сигнал/шум, благодаря генерации боковых полос или спонтанно, или вызванной усиленным спонтанным излучением (ASE). В системах с длинными секциями/пролетами без регенерации, MI может наблюдаться при меньших уровнях мощности и может приводить к избыточному усилению шума спонтанного излучения каскадно включенных оптических усилителей.

7. Формирование солитона в волоконном световоде

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. 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.

Солитоны должны поддерживать определенную обособленность один от другого при передаче последовательности бит информационного потока. Это предохраняет солитоны от взаимодействия, которое может оказаться деструктивным. Для того чтобы достичь необходимой обособленности двух соседних солитонных импульсов, разработчик системы вынужден использовать в качестве формата линейного кодирования RZ (возвращение к нулю), а не NRZ, который является общепринятым. При использовании формата RZ солитон занимает только малую часть битового интервала (битового периода), обеспечивая тем самым достаточную обособленность соседних бит.

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 не происходит, солитонный импульс уширяется. Уменьшенная пиковая
мощность ослабляет нелинейные эффекты. 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.

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 быть введена в волокно.

8. Применение вынужденного рассеяния Рамана в волоконном световоде

Т.к основной причиной рассеяния Рамана является поглощении фотона молекулой, использовании части энергии фотона на возбуждение колебаний этой молекулы, а оставшейся части энергии - на испускание фотона с более низкой частотой. Этот эффект используется для усиления сигналов в спектральных каналах DWDM систем, так как он обладает широкой полосой усиления (50…100 нм, для разных типов волокон), что даже шире полосы усиления эрбиевого усилителя (~40 нм).

9. Применение вынужденного рассеяния Брюэллена

Исследования рассеяния Брюэллна в сочетании с другими методами позволяют получать ценную информацию о свойствах рассеивающих сред. Оно используется для генерации мощных гиперзвуковых волн в ряде технических применений.

Брюэлленовский сдвиг частоты (частота отраженного луча немного меньше, чем у падающего; разность частот соответствует частотам испускаемых фононов. Это, так называемый, брюэлленовский сдвиг частоты) зависит от состава материала и в некоторой степени от температуры и давления в среде. Эта зависимость используется для волоконно-оптических датчиков.

Другое важное применение брюэлленовского рассеяния - в сопряжении оптических фаз. Например, ОВФ-зеркала (зеркала, создающие обращение волнового фронта) для мощных лазеров с модуляцией добротности дают возможность тепловым искажения, проходящим в прямом и обратном направлении в лазерном кристалле, компенсировать друг друга.

10. Возможности снижения нелинейных эффектов

10.1 Возможности снижения фазовой модуляции

Выбор рабочей длины волны для волокна типа G.653 вблизи длины волны нулевой дисперсии приводит к снижению влияния SPM. На относительно коротких ВОЛС длиной не более 1000 км, SPM может управляться с помощью модулей компенсации дисперсии, расположенных на определенных расстояниях вдоль трассы ВОЛС с волокном типа G.652. Как было указано выше, действие многих из указанных здесь эффектов может быть снижено путем уменьшения мощности сигнала или же путем использования длины волны выше длины волны нулевой дисперсии на рабочем волокне типа G.655.

10.2 Возможности снижения вынужденного Раманновского рассеяния

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.

10.3 Возможности снижения Брюэлленовского рассеяния

Ухудшения, вызванные SBS, не возникнут в системах, где ширина линии источника значительно превосходит ширину полосы Бриллюэна, или там, где мощность сигнала меньше пороговой мощности SBS.

10.4 Возможности снижения четырехволнового смешения

оптическое волокно рассеяние эффект

Дисперсия может быть использована для подавления генерации боковых полос FWM. Например, это может быть дисперсия, характерная для волокна типа G.655. Для уменьшения влияния эффектов за счет FWM, может быть использован также неравномерный шаг между каналами. Снижение уровня входной мощности в системах, работающих на волокне типа G.653, делает возможным использование многоканальных систем, но может оказаться компромиссным решение использовать экономические преимущества оптического усиления.

Для того чтобы адекватно подавлять генерацию продуктов FWM, в промышленности было предложено использовать волокно с минимальной допустимой (но не нулевой) дисперсией в области усиления ОУ. Как потенциально пригодный, рассматривается также вариант чередования пролетов, использующих волокно с ненулевой дисперсией и волокно с противоположной по знаку дисперсией, учитывая, что в результате среднее значение хроматической дисперсии близко к нулю.

Как средство снижения влияния нелинейных эффектов, позволяющее использовать системы DWDM на волокне G.653, было также предложено использовать неравномерный шаг между каналами и увеличение этого шага. Неравномерный шаг позволяет быть уверенным, что продукты FWM, генерируемые тремя и большим числом каналов, не попадут непосредственно на частоты других рабочих каналов. Однако возможность переноса мощности сигналов в продукты смешения (т.е. обеднение мощности сигнала) остается и при неравномерном шаге и все еще может привести к сужению глазковой диаграммы. Увеличенный шаг также уменьшает влияние FWM. Использование этих технологий уменьшения влияния FWM может быть ограничено сужением общей полосы используемого спектра усиления при последовательном включении ряда оптических усилителей.

10.5 Возможности снижения модуляционной нестабильности

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 МI, можно существенно уменьшить путем использования лазеров с внешней модуляцией, дающих более узкий спектр.

10.6 Возможности снижения 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.

Список литературы

Фриман Р, Волоконно-оптические системы связи -М.: Техносфера,2003

Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика -М.: Мир 1996

Агравал Г.П, Кившарь Ю.С. Оптические солитоны. От волоконных светодиодов к фотонным кристаллам. Пре с англ. -М.: 2005

1. Размещено на www.allbest.ru