Реферати українською » Физика » Ефекти нелінійного заломлення


Реферат Ефекти нелінійного заломлення

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Ефекти нелінійного заломлення


Перша група нелінійних ефектів, зобов'язана зміни величинирефракционного індексу (інакше показника заломлення) n залежно від оптичної потужності, що проходить волокну.Рефракционний індекс твердого кристалічного матеріалу виражається формулою:

                                          (1)

деn0 – індекс рефракції серцевини оптичного волокна (ВВ) при малих рівнях оптичної потужності (для кварцуn0 »1,47);

>nн – коефіцієнт нелінійностірефракционного індексу, величина якого не більше 2,2…3,6*10-20м2/Вт (для традиційного кварцу, що у ВВnн =2,35*10-20м2/Вт). Не дивлячись на дещицю такого коефіцієнта, він робить дуже суттєва впливом гетьнелинейние ефекти в ВВ;

>Р0 – оптична потужність, передана по ВВ в Вт;

>Аефф – ефективна площа ядра ВВ в м2.

З висловлювання (1) видно, що з підтримки сталості індексу рефракції n необхідно використовувати ВВ з максимально можливої величиною ефективної площі перерізуАефф. Саме цієї проблеми присвячені зусилля розробників ВВ. Річ у тім, що геометрична площа перерізу волокна зD1=10мкм:S=pD1/4=78,5мкм2. Розподіл ж оптичної потужності поперечномусечении ВВ не рівномірно, а має виглядгауссовой кривою. Через це ефективний діаметрмодового плями (>Dефф) менше геометричного. Наприклад, для стандартногоодномодового ВВ зD1=10мкм діаметрмодового плями становить близько 4 м, а ефективна площаАефф=50мкм2, тобто у 1,5 рази менше геометричній. З допомогою добору легуючих добавок і форми профілю показника заломлення, ефективну площаАефф вдається істотно збільшити. Так, відома компанія Corning розробила волокноLEAF, маєАефф=7,25мкм2, а японська фірмаFujikura створилаодномодовое волокно зАефф=165мкм2, зберігши гаразд інші важливі характеристики ВВ: хроматичнудисперсию 20,5пс/нм ·км іпогонное згасання 0,205дБ/км.

Саме застосування нових типіводномодових ВВ дозволило останніх розробках системDWDM вводити в нелінійне волокно сумарну оптичну потужність групового сигналу порядку +30dBm (тобто. 1 Вт). У цих системах використані ВВ лише з великий площеюАефф, але й підвищеної очищенням кварцу, у результаті на довжині хвилі 1550 нм отримано коефіцієнт загасанняa=0,151дБ/км (при теоретичному мінімумі 0,14дБ/км).

На малюнку 1 показано залежністьрефракционного індексу від оптичної потужності кварці. З графіка видно, змінарефракционного індексу незначно зі своєї величині. Проте, навіть такий змінарефракционного індексу n істотно впливає на якість передачі високошвидкісних потоків на протяжнихВОЛП.

Малюнок 1 - Залежністьрефракционного індексу кварцу від оптичної потужності

>Фазоваясамомодуляция (>ФСМ), (>SPM –Self-PhaseModulation) виникає через нелінійний ефектКерра. ЕфектКерра у тому, що імпульси, починаючи з деякого рівня інтенсивності, поширюються з різними швидкостями, залежними від інтенсивності. ЯвищеSPM розглядається, переважно, стосовно цифровимВОЛП, працюючим на високих швидкостях (наприклад, 2,5 Гбіт /з), тобто за малихдлительностях імпульсів (менш 200…400пс).SPM починає виявлятися в ВВ при потужностях, більш 8…10 мВт та залежною від частотною канальної розстановки чи числа каналів. Зазначений вище поріг умовний, оскільки вона значно залежить від типу ВВ.

Відомо, що спектр імпульсу пов'язані з його тривалістю і, особливо, з крутизною переднього і заднього фронтів. Відповідно до зворотному перетворенню Фур'є, передній фронт зобов'язанийвисокочастотним що становить в спектрі сигналу (тобто понад короткимдлинам хвиль), а задній фронт – низькочастотним що становить. Дане розподіл ілюструється малюнком 2.

Малюнок 2 – Зв'язок спектральних складових з формою сигналу

Під час проходження оптичного імпульсу вздовж ВВ змінюється його амплітуда. Отже, змінюється й розміррефракционного індексу n, залежить від інтенсивності світла конкретномусечении за довжиною волокна. Потужність імпульсного сигналу можна як тимчасову функцію, тобто зміна енергії сигналу у часі. Відповідно до зміною інтенсивність оптичного світла (I) за часом, змінюватиметься і індекс рефракції:


                                             (2)

Після проходження імпульсом з несучою частотоюw0 певного відстані L, неминуче станеться зміна фази:

                                         (3)

деdn – зміна величинирефракционного індексу.

Розміррефракционного індексу може бути як позитивної, і негативною:

                                              (4)

Слід зазначити, що енергія імпульсу мінімальна з його передньому фронті і максимальна на задньому фронті. Тому зміна величинирефракционного індексу (тобто спектра і форми сигналу) буде перетерплювати максимальні зміни саме у задньому фронті імпульсу, сильно спотворюючи його форму (але з саму тривалість). Звідси випливає і саму назву цього виду спотворень – “>фазоваясамомодуляция”. На малюнку 3 представлені осциляції на задньому фронті імпульсу з допомогоюФСМ/SРM.

Малюнок 3 –Осцилляции на задньому фронті імпульсу, викликаніФСМ


Оскільки частота в математичному поданні є похідну фази за часом , то сам імпульс виявляєтьсяпромодулированним як за амплітудою, а й у частоті:

                             (5)

Ефект короткочасного зміни несучою частоти називаєтьсячирпированием за частотою (див. малюнок 4). Приnн>0 спостерігається зниження частоти, а приnн < 0 –підвищення частоти.

>ФСМ явище, що призводить до симетричному спектральномууширению оптичних імпульсів.Уширение спектра черезФСМ виникає внаслідок залежності фази імпульсу від часу, що означає зрушення миттєвою оптичної частоти основної частотиw0 при переміщенні вздовж імпульсу. Залежність зміни частоти від часу можна як частотну модуляцію імпульсу.Частотная модуляція наводятьФСМ і росте за величиною із довжиною поширення. Отже, генерація нових частотних компонент відбувається безперервно за мері поширення усветоводу, викликаючиуширение спектра стосовно його початковій ширині приz = 0. Ступінь спектральногоуширения залежить від форми імпульсу і зажадав від початковій частоти модуляції імпульсу.

Зазначимо важливий практичний момент, що ефектSPM призводить до появичирпинга приблизно як і для розповсюдження імпульсу в волокні здисперсией (наприклад, зSMF-28 на довжині хвилі 1550 нм). Проте між тими явищами істотно відрізняються. ЕфектSPM викликає розширення спектра імпульсу (>нелинейние спотворення), але з змінює тривалість імпульсу.Дисперсия ж, навпаки, призводить до зміни тривалості імпульсу, але з змінює ширину його спектра (лінійні спотворення). Характер поширення оптичного імпульсу залежить від взаємодіїФСМ іДГС.

Як мовилося раніше, в оптичної зв'язку термін ”дисперсія” пов'язують ізуширением імпульсів. Також пригадаємо, що у робочому діапазоні довжин хвиль:

a) коефіцієнт заломленняn() зменшується зі зростанням довжини хвилі;

b)фазовая швидкість хвиліvф збільшується зі зростанням.

з) мінімальне значення групового показника заломленняNгр() – у точці нульової дисперсії0.

Як очевидно з малюнка 5 дисперсія змінює знак на довжині хвилі =0 (для чистого кварцу довжина хвилі нульової дисперсії0 = 1,276мкм). Це значення відповідає точці перегину кривоюn().

Малюнок 5 – Зміна знака дисперсії

Відомо, що імпульс характеризується (у часі) як тривалістю і формою, але залежністю частоти несучою від часу (>чирпингом). Імпульс на вході у лініюпромодулирован лише з амплітудою, і частота його несучою залежить від часу (>чирпинга немає). Імпульс безчирпинга, пройшовши крізь волокно з позитивною за сигналом хроматичноїдисперсией, набуває додаткову частотну модуляцію (позитивнийчирпинг) і навітьуширяется.Уширяется імпульс оскільки у волокні здисперсией різні спектральні компоненти імпульсу рухаються з різну швидкість. А позитивнийчирпинг імпульс набуває тому що за позитивної дисперсії довгохвильові компоненти запізнюються сильніше, ніж короткохвильові, у своїй відбувається, так званий, набіг фази. Якби волокно мало хроматичноїдисперсией з негативним знаком, то імпульс б усе одноуширился, але мав при цьому читача негативнийчирпинг. Це призводить лише до появи залежить від частоти фазового зсуву між амплітудами його спектральних складових. А сам спектр у своїй не змінюється (малюнок 6). Тому про такий імпульс кажуть, що вінуширен за Фур'є. Отже, в лінійному наближенні дисперсія наводить лише у зміни ширини імпульсу, але з змінює ширину його спектра.

Малюнок 6 -Уширение імпульсу

Ефект фазовоїсамомодуляции призводить доуширению спектра імпульсу. У цьому частота несучою на задньому фронті імпульсу більша частоти несучою на передньому фронті імпульсу (негативнийчирпинг).Нелинейние ефекти через підвищення інтенсивності хвилі породжують нові частотні компоненти, що зумовлюєуширению спектра імпульсу. І щоб коли у своїй врахувати ефектКерра, то волокні з травня нульовоїдисперсией імпульс набуває негативнийчирпинг.

Зі збільшенням потужності випромінювання в волокні із від'ємноюдисперсией ширина імпульсу збільшується через те, що довжина хвилі на хвості імпульсу виявляється коротше довжини хвилі на фронті імпульсу. Оскільки в волокні із від'ємноюдисперсией швидкість поширення хвиль зменшується із зменшенням довжини хвилі, то хвіст імпульсу починає відставати від фронту, і ширина імпульсу збільшується.

Малюнок 7 –Чирп-еффект в волокні із від'ємноюдисперсией


У волокні з позитивноюдисперсией (малюнок 8) хвіст імпульсу (з коротшими хвилями) пришвидшується, а фронт (з довшими хвилями) сповільнюється, що призводить до стиску імпульсу. Слід враховувати, що стиснення імпульсу має місце лише за дуже великої потужності, колиуширение імпульсу через ефектуКерра ще мало. При великої потужностіуширение імпульсу (через ефектуКерра) стає головним чинником, визначальним ширину імпульсу за його поширенні в волокні здисперсией. Такий імпульсуширяется незалежно від знака дисперсії волокна.

При деякому проміжному значенні потужності волокні позитивногодисперсией ефектКерра врівноважує вплив дисперсії. Інакше кажучи, тоді, як дисперсія намагається зробити імпульс ширшим, ефектКерра забезпечує його стиснення. Якщо обидва ефекту збалансовані, то форма імпульсу не змінюється. Такі імпульси називаютьсясолитонами.Солитон (>soliton) – оптичний імпульс, неподвергающийся дисперсії під час передачі на далеке відстань. Їх використання у оптичної зв'язку дуже перспективний та нині стримується лише стрімким розвиткомDWDM систем.

Малюнок 8 -Чирп-еффект в волокні позитивногодисперсией


Перехреснафазовая модуляція (>ХРМ –Cross-PhaseModulation) дуже схожа зSPM, але розглядається вже стосовно двох і більш оптичним каналам, тобто стосовноВОСП зі спектральниммультиплексированием (>CWDM/DWDM системам). Так само, як і заSPM, виникає змінарефракционного індексу n зі збільшенням інтенсивності світла. УWDM-системах з велику кількість каналів зміна лінійної частотною модуляції імпульсу щодо одного каналі залежить від варіації показника заломлення через інтенсивність інших каналів, посилюючиSPM. Оскільки канальні рівні потужностей уCWDM/DWDM системах приблизно однакові, то, приХРМ ефект ефект збільшує нелінійний фазовий зрушення приблизно2N раз, де N – число задіяних оптичних каналів в ВВ.ХРМ призводить до таких ж спотворень імпульсів, як іSPM, ще тільки більшою мірою. Характерно відзначити, що ефектХРМ більшою мірою залежить від дисперсії ВВ протиSPM, що у своє чергу зумовлює необхідність збільшення запасу по дисперсії.

Для зниження впливуХРМ необхідно вибирати оптичні волокна з максимально можливої ефективної площею перерізу (дане зауваження стосується всіх видам спотворень) і за можливості, знижувати канальний рівень оптичної потужності (див. малюнок 9).

Малюнок 9 – Залежність нелінійних ефектів від рівня оптичної потужності


Важливо зазначити, щоХРМ наводить також до появи амплітудних спотворень тимчасовогоджиттера (малюнок 10). Ці спотворення виявляються тим більше, що стоїть швидкість передачі й менше інтервал частот між каналами. Дослідження у цьому напрямі стали інтенсивно проводитися лише у найостанніше час.

Малюнок 10 –Амплитудние перекручування та тимчасовоїджиттер оптичних імпульсів приXPM

>Интермодуляция (>IM –InterModulation) аналогічнаSPM іХРМ, але розглядається для кількох каналів. Як і вище розглянутих випадках, величинарефракционного індексу змінюється пропорційно інтенсивності оптичної потужності. Приміром, тоді як ВВ є дві незалежні хвиліl1 іl2, то n змінюватиметься одночасно їх сумарною потужності, що викличе появу комбінаційних складових, тобто нових двох хвиль, сусідніх по частотного діапазону : і . Таке явище подібно безлічі способів формування нелінійності причетирехволновом змішанні (>FWM).

>Модуляционная нестабільність (MI –>ModulationInstabliting) спостерігається лише у ВВ з позитивноюдисперсией. У часовому поданні MI проявляється у виглядіпичков на імпульсах (малюнок 11 а), а спектральному – якуширение спектра імпульсу (малюнок 11 б).

Появапичков на імпульсах пов'язані з ефектомсамовоздействия хвиль. Цей ефект призводить до того, що довжина хвилі на задньому фронті імпульсу виявляється коротше довжини хвилі на передньому фронті.Волокно позитивногодисперсией прискорює хвилю заднього фронту сильніше, що більш довгу хвилю переднього фронту. Коли задній фронт входить у взаємодію Космосу з переднім фронтом, виникає інтерференція, що й є причиною освітипичков на переданих імпульсах. Після взаємодію Космосу з переднім фронтом, виникає інтерференція, що й є причиною освітипичков на переданих імпульсах. Після детектування оптичного сигналу і наступного електричної фільтрації амплітудапичков зменшується отже де вони надають істотно працювати систем протяжністю менш 1000 км.

Малюнок 11 – Вплив на оптичний імпульсмодуляционной нестабільності


Ефектчетирехволонового змішанняЧВС/FWM виявляється лише вмноговолнових системах. У системахWDM, використовують світлові хвилі з близькими частотами, залежність показника заломлення від інтенсивності як викликає усунення фази всередині каналу, а й створює сигнали на нових частотах. І тому досить, щоб у нелінійному взаємодії брало участь щонайменше двох світлових хвиль з близькими частотамиf1 іf2 (тобто у одному вікні прозорості). І тут за повною аналогії з електричними ланцюгами, з-поміж них спостерігатиметься нелінійне взаємодія з нелінійності передавальної функції, якби була активної (тобто із посиленням) чи пасивної (з ослабленням). Тоді відповідно до малюнку 11 б що з'явилися при нелінійному взаємодії комбінаційні частоти (>2f1 –f2 і2f2 –f1) будуть близькі до вихідним і містяться у аналізованому діапазоні частот (довжин хвиль).

Якщо ж у нелінійному взаємодії беруть участь три світлові хвилі з близькими частотами (>fi,fj,fk), то що з новостворених комбінаційних частотfi ±fj ±fk також будуть близькі до вихідним частотах і потраплять в спектральні каналиCWDM/DWDM системи та викличутьперекрестние перешкоди. Найбільше занепокоєння сигнал, відповідний

>рефракционний оптичний спектральний дисперсія

>fijk =fi +fj –fk, (6)

деfijk – частота що з'явилася нової четвертої хвилі, яка близька до частотах що породили її хвиль.

Малюнок 12 -Нелинейное взаємодія при двох світлових хвилях


Як приклад розглянемо найпростішу систему із трьома довжинами хвиль (>l1,l2,l3), що схильна доFWM спотворень. У такій системі виникнуть дев'ять довжин хвиль, зобов'язаних вихідним сигналам (див. малюнок 12). Насправді числоинтермодуляционних продуктів значно більше, але де вони розташовуються досить далеке від вихідних вхідних довжин хвиль. Припустимо, що вхідні хвилі становлять :l1=1551,72 нм;l2=1552,52 нм;l3=1553,32 нм.Комбинационние продукти третього порядку становитимуть значення:l1+l2-l3=1550,92 нм;l1-l2+l3=1552,52 нм;l2+l3+l1=1554,12 нм;l1-l2+l3=1552,52 нм;l2+l3-l1=1554,12 нм;2l1-l3=1550,12 нм;2l3-l1=1554,92 нм;2l2-l1=1553,32 нм;2l3-l2=1554,12 нм.

Можна зауважити, що три складовіинтермодуляционних спотворень за довжиною хвилі збігаються з вихідними сигналами. Решта шість складових трохи частотно зміщено (див. малюнок 13) і може бутиотфильтровани. Ситуація багато ускладнюється зі зростанням числа вихідних сигналів N, оскільки кількістьинтермодуляционних складових різко зростає

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація