75371

Обзор нелинейных оптических эффектов в стеклянном волокне

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Четырехволновое смешение Для тех кто пришел из радиосвязи или беспроводной радиосвязи четырехволновое смешение ЧВС напоминает нам продукты третьего порядка. ЧВС заявляет о себе появлением побочных сигналов некоторые из которых могут соответствовать частотам рабочих каналов.5 ЧВС может возникать даже в одноканальных системах между рабочим сигналом и составляющими SE ОУ а также между основной и боковыми модами. Две оптических волны распространяющиеся вдоль волокна генерируют ЧВС с высокой степенью эффективности если согласуются...

Русский

2015-01-12

408.5 KB

5 чел.

Обзор нелинейных оптических эффектов в стеклянном волокне

 Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна

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 (рассеяние Бриллюэна, в отечественной литературе его называют рассеянием Мандельштама-Бриллюэна) примерно на 11 ГГц.

Нелиней-ный

эффект

Причина

Характе-ристики

Крити-ческая

мощ-ность в

Оказываемое влияние

Фазовая

самомодуляция

(ФСМ),

фазовая

кросс-модуляция (ФКМ)

 

 

 

 

 

 

 

Оптический

эффект Керра:

коэффициент преломления, зависящий

от интенсивности

 

 

 

 

 

Фазовый сдвиг,

самовозбуждаемый

(ФСМ)

В соседних

каналах (ФКМ)

Расширение

спектра

частот

 

 

 

~10 мВт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Спектральное расширение увеличивает

влияние дисперсии

Скорость передачи

ограничена мощностью и дисперсией

Сжатие импульса (положительная дисперсия)

Распространение уединенного импульса (солитон)

Ограничения в системах фазовой манипуляцией за счет AM/ФМ конвертирования

Вынужденное Рамановское рассеяние

(SRS)

 

 

 

 

 

Взаимодействие

фотонов с

оптическими фононами

 

 

 

 

Линии

Рамана

f-nf (Стоксовы)

f = 12 ТГц

  = 70 нм

(1310 нм)

  = 102 нм

(1550 нм)

 ~1 Вт (1 канал)

~1 мВт для рамановского усиления

в системах WDM с критическим шагом

между каналами  

Оптические потери в волокне

Оптическая переходная помеха в системах WDM 

Обеднение мощности

сигнала

Вынужденное рассеяние Бриллюэна

(SBS) 

 

 

 

Взаимодействие

фотонов с

акустическими фононами

 

 

 

Линии Бриллюэна в обратном направлении

f   nf 

f  = 13,2 ГГц

(1310 нм)

f = 11,1 ГГц

(1550 нм)

~5 мВт

(для узкополосного оптического источника)

Рс растет с ростом ширины линии

сигнала

Неустойчивость

сигнала

Оптические потери в  ОВ

Оптическая переходная помеха в двунаправленных когерентных многоканальных

системах

Четырехфотонное смешение  или

четырехволновое смешение (FWM)

Многофотонное

взаимодействие

 

 

Генерирование смешенных гармоник:

~10 мВт,

 

Оптическая переходная помеха в системах WDM 

Обеднение мощности

сигнала

Среди всех нелинейностей, рассмотренных в этом разделе, 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. Порог SBS чувствителен к спектральной ширине источника излучения и уровню излучаемой мощности. Однако он не зависит от числа каналов WDM.

SBS ограничивает количество световой энергии, которое может быть передано по волокну. Переданная мощность достигает насыщения и резко нарастает мощность обратного рассеяния. Уровень входной мощности, подаваемой на волокно, при котором это резкое нарастание происходит, определяется как порог SBS и выражается формулой:

,                                  (7.1)

где gозначает коэффициент усиления Бриллюэна, Аeffэффективная площадь сердечника, Kпостоянная, определяемая степенью свободы состояния поляризации (в рекомендации G.652, K = 2). Переменные  и  представляют спектральную ширину полосы Бриллюэна и источника накачки соответственно. Leff — обозначает эффективную длину, определяемую как

,                                        (7.2)

где  — коэффициент затухания волокна, a Lдлина волокна.

Порог вынужденного рассеяния Бриллюэна для узкополосного источника света

Порог SBS  зависит от ширины линии световой накачки . Если ширина линии световой накачки меньше, чем ширина полосы Бриллюэна, то пороговая мощность SBS можно оценить, используя следующее соотношение:

.                                                (7.3)

Рассеяние Мандельштама - Бриллюэна на генерируемой акустической волне

Вынужденное комбинационное рассеяние (Раман-эффект)

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 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.

В конфигурации WDM больше всего обедняется самый коротковолновой канал, так как мощность из него может перекачиваться во многие каналы одновременно. Такое перераспределение мощности между каналами можно определить по характеристикам системы, так как оно зависит от характера расположения бит. Усиление происходит тогда, когда двоичные 1 присутствуют в обоих каналах одновременно. Такое усиление, зависящее от характера сигнала, ведет к увеличению флуктуации мощности, которая увеличивает уровень шума приемника и ухудшает его характеристики. Романовских 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.

SRS может возникнуть в системах, использующих как одномодовое, так и многомодовое волокно. Для того, чтобы наблюдать SRS при наличии только одного канала, без использования оптического усилителя, необходимо иметь уровень сигнала порядка +30 дБм или выше. Однако, коротковолновые сигналы систем WDM с большим шагом между каналами могут испытывать ухудшение отношения сигнал/шум, когда часть их мощности будет перекачиваться в длинноволновые каналы, благодаря явлению SRS. Это приводит к ограничению общей емкости системы, учитывая ограничения на общее число каналов WDM, их шага по сетке частот (длин волн), общей длины системы и средней входной мощности. Порог, при котором в многоканальной системе наблюдается ухудшение на 1 дБ, вызванное наличием рамановского усиления в волокне без сдвига дисперсии, может быть оценен из неравенства:

[мВтнмМм]    (7.4)

где суммарная мощность всех каналов WDM (мВт),  — полоса оптического спектра (нм), в которой распределены эти каналы, Leff эффективная длина, выраженная в мегаметрах — Мм. SRS практически не вносит ухудшений в одноканальные системы. Однако оно может ограничить возможности систем WDM.

Спектры рассеяния Бриллюэна (а) и рассеяния Рамана (б)

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. 6.2, 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.

Механизм спектрального уширения за счет фазовой самомодуляции

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 лишь 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.

Четырехволновое смешение

Для тех, кто пришел из радиосвязи, или беспроводной радиосвязи, четырехволновое смешение (ЧВС) напоминает нам продукты третьего порядка. 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. Эти три световых сигнала: , ,  генерируют четвертый сигнал , подчиняющийся соотношению:

    (7.5)

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 формируются 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. Для относительно низких оптических мощностей это означает, что

,      (7.6)

где — шаг между каналами по сетке частот, Dхроматическая дисперсия волокна (дисперсионный параметр), — центральная длина волны, Lдлина волокна, с — скорость света в вакууме. Эффективность ЧВС также чувствительна к общей оптической мощности в волокне. Рассмотрим следующее: для двух сигналов с оптическими мощностями Р1 и Р2  максимальный коэффициент параметрического усиления для боковых полос, gmax, может быть оценен так:

    (7.7)

где gнелинейный коэффициент Керра.

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

     (7.8)

Например, четырехканальная система WDM формирует в результате 24 побочных канала, а восьмиканальная - 224 побочных канала, и т.д.

Особенно серьезные проблемы, благодаря ЧВС, возникают в системах, использующих волокно со сдвигом дисперсии. В противоположность этому, расположение оптического рабочего канала непосредственно в точке нулевой дисперсии (или около нее) может привести к очень существенному процессу формирования продуктов ЧВС на очень небольшой длине (десятки километров). При использовании волокна с ненулевой смещенной дисперсией типа (особенно если оно имеет большую площадь эффективной области) такой острой ситуации не наблюдается. Еще меньше ЧВС влияет на волокно без сдвига дисперсии, учитывая, что дисперсия здесь достаточно велика.

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.

Генерация боковых полос ЧВС может привести к значительному обеднению мощности рабочих каналов. Кроме того, когда комбинационные гармоники попадают на частоты рабочих каналов, то возникает параметрическая интерференция, которая может привести как к увеличению, так и уменьшению амплитуды рабочего импульса, в зависимости от фазовых соотношений рабочего сигнала и сигналов боковых полос.

Параметрические потери вызывают закрытие глазковой диаграммы на выходе приемника, приводя к ухудшению уровня ВЕК. Увеличение шага между несущими и хроматическая дисперсия уменьшают эффективность процессов ЧВС за счет разрушения фазовых соотношений между взаимодействующими волнами. Расположение частоты рабочего канала вблизи нуля дисперсии может привести к существенному формированию продуктов ЧВС на относительно короткой длине волокна (десятки километров). ЧВС также чувствительно к шагу между каналами.

В одноканальной системе, ЧВС может взаимодействовать между составляющими ASE-шума ОУ и рабочими каналами, а также между основной и боковыми модами оптического передатчика. Накопленный ASE-шум, благодаря действию эффекта Керра, добавляет фазовый шум несущей рабочего канала, вызывая, тем самым, расширение хвостов спектра сигнала.

Спектры оптических сигналов на выходе одномодового волокна со смещенной дисперсией DS (а) и одномодового волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDS (б)

Влияние дисперсии на емкость системы с учетом действия ЧВС

Модуляционная неустойчивость

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

Спектр мощности импульса после распространения по отрезку волокна длиной 1 км

Ширина входного импульса - 100 пс, пиковая мощность 7 Вт. Боковые спектральные полосы появились в результате действия MI

Зависимость пороговой мощности в канале от количества каналов

Формирование солитонов

Если бы можно было оградить себя от влияния дисперсии в ВОЛС и работать в окне прозрачности минимального затухания 1550 нм со скоростью 10 Гбит/с, то можно было бы увеличить расстояние между ретрансляторами до 1000 км. 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 формируется в результате установления баланса между нелинейностью и дисперсией. Нелинейности волокна противодействуют накапливанию дисперсии при распространении импульса по волокну.

Оптический солитон является результатом баланса между дисперсией групповых скоростей - ДГС (GVD) и фазовой самомодуляцией — ФСМ (SPM) (под групповой скоростью понимают скорость огибающей группы волн, имеющих близкие частоты; она может быть больше или меньше фазовой скорости волн). Рассматриваемые по отдельности, каждое из этих явлений ограничивает характеристики ВОСП. ДГС уширяет оптический импульс при его распространении по волокну, когда импульс первоначально частотно-модулирован  нужным образом.

Солитоны должны поддерживать определенную обособленность один от другого при передаче информационного потока. Это предохраняет солитоны от взаимодействия.

Ограничения длины волокна или 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, необходимые для противодействия влиянию ДГС. Использование волоконно-оптических усилителей (например, тиап 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. Джиггер 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.

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.

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. 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. 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. 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.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8808. Міжнародний ринок обміну валют 192.5 KB
  Міжнародний ринок обміну валют. Сутність валютних операцій На світовому ринку торгівля валютою в основному зосереджена на міжбанківському валютному ринку (Forex) торгівля строковими угодами здійснюється на біржі (Chicago Mercantile Ex...
8809. Міжнародні розрахунки за допомогою акредитива 462 KB
  Міжнародні розрахунки за допомогою акредитива План Сутність та особливості міжнародного акредитива Види акредитивів Сторони-учасники, фази документарного акредитива Витрати за акредитивними операціями Проблеми, переваги...
8810. Міжнародні розрахунки за допомогою інкасо 391 KB
  Міжнародні розрахунки за допомогою інкасо План Сутність та особливості міжнародного інкасо Типи інкасо Сторони-учасники, фази документарного інкасо Витрати за інкасовими операціями Проблеми, переваги та недоліки інкасов...
8811. Міжнародні кредитні операції 194.5 KB
  Міжнародний кредит - це рух позичкового капіталу у сфері міжнародних економічних відносин, повязаний з наданням валютних і товарних ресурсів на умовах повернення, терміновості і сплати відсотків...
8812. Історія виникнення, сучасний стан та розвиток банківської системи 117.7 KB
  Історія виникнення, сучасний стан та розвиток банківської системи 1. Походження та розвиток банків 2. Поняття, призначення та класифікація банків 3. Сучасні банківські системи та їх характеристики 4. Становлення та розвиток банківської системи Украї...
8813. Історія виникнення, сучасний стан та розвиток банківської системи Тестові завдання 22.03 KB
  Історія виникнення, сучасний стан та розвиток банківської системи Тестові завдання 1. Головною метою діяльності банківської системи є: а) одержання прибутку комерційними банками б) забезпечення суспільного нагляду, надійності та стабільності функці...
8814. Банки як субєкти господарювання 382.26 KB
  Створення та реєстрація банку. Організаційна структура банку. Ліцензування банків та банківської діяльності. Реорганізація і ліквідація банку. Банківські обєднання: порядок створення та їх типи...
8815. Банки як субєкти господарювання Тестові завдання 23.1 KB
  Банки як субєкти господарювання Тестові завдання 1. Реєстрація банку - це: а) документ, який надається НБУ в порядку і на умовах, визначених у дозволі б) надання банку статусу юридичної особи відповідно до вимог Закону України Про банки і бан...
8816. Національний банк України: завдання, функції, мережа та структура Тестові завдання 23.24 KB
  Національний банк України: завдання, функції, мережа та структура Тестові завдання 1. Статутний капітал НБУ становить: а) 5 млн грн б) 10 млн грн в) 7 млн грн г) 15 млн грн. 2. Вищим органом НБУ є: а) Правління НБУ б) збори акціонерів в) Рада Н...