Эффекты нелинейного преломления

Первая группа нелинейных эффектов, обязана изменению величины рефракционного индекса (иначе показателя преломления) n в зависимости от оптической мощности, проходящей по волокну. Рефракционный индекс твердого кристаллического материала выражается формулой:

                                          (1)

где n0 – индекс рефракции сердцевины оптического волокна (ОВ) при малых уровнях оптической мощности (для кварца n0 »1,47);

nн – коэффициент нелинейности рефракционного индекса, величина которого лежит в пределах 2,2…3,6*10-20 м2/Вт (для традиционного кварца, используемого в ОВ nн =2,35*10-20 м2/Вт). Не смотря на малость такого коэффициента, он оказывает очень существенное влияние на нелинейные эффекты в ОВ;

Р0 – оптическая мощность, передаваемая по ОВ в Вт;

Аэфф – эффективная площадь ядра ОВ в м2.

Из выражения (1) видно, что для поддержания постоянства индекса рефракции n необходимо использовать ОВ с максимально возможной величиной эффективной площади сечения Аэфф. Именно данной проблеме посвящены усилия разработчиков ОВ. Дело в том, что геометрическая площадь сечения волокна с D1=10 мкм: S=pD1/4=78,5 мкм2. Распределение же оптической мощности в поперечном сечении ОВ не равномерно, а имеет вид гауссовой кривой. По этой причине эффективный диаметр модового пятна (Dэфф) меньше геометрического. Например, для стандартного одномодового ОВ с D1=10 мкм диаметр модового пятна равен примерно 4 м, а эффективная площадь Аэфф=50 мкм2, то есть в 1,5 раза меньше геометрической. С помощью подбора легирующих добавок и формы профиля показателя преломления, эффективную площадь Аэфф удается существенно увеличить. Так, известная компания Corning разработала волокно LEAF, имеющее Аэфф=7,25 мкм2, а японская фирма Fujikura создала одномодовое волокно с Аэфф=165 мкм2, сохранив в норме остальные важные характеристики ОВ: хроматическую дисперсию 20,5 пс/нм ·км и погонное затухание 0,205 дБ/км.

Именно применение новых типов одномодовых ОВ позволило в последних разработках систем DWDM вводить в нелинейное волокно суммарную оптическую мощность группового сигнала порядка +30 dBm (то есть. 1 Вт). В таких системах использованы ОВ не только с большой площадью Аэфф, но и с повышенной очисткой кварца, в результате чего на длине волны 1550 нм получен коэффициент затухания a=0,151 дБ/км (при теоретическом минимуме 0,14 дБ/км).

На рисунке 1 показана зависимость рефракционного индекса от оптической мощности в кварце. Из графика видно, что изменение рефракционного индекса незначительно по своей величине. Тем не менее, даже такое изменение рефракционного индекса n оказывает существенное влияние на качество передачи высокоскоростных потоков на протяженных ВОЛП.

Рисунок 1 - Зависимость рефракционного индекса кварца от оптической мощности

Фазовая самомодуляция (ФСМ), (SPM – Self-Phase Modulation) возникает из-за нелинейный эффект Керра. Эффект Керра заключается в том, что импульсы, начиная с некоторого уровня интенсивности, распространяются с различными скоростями, зависящими от интенсивности. Явление SPM рассматривается, в основном, применительно к цифровым ВОЛП, работающим на высоких скоростях (например, 2,5 Гбит /с), то есть при малых длительностях импульсов (менее 200…400 пс). SPM начинает проявляться в ОВ при мощностях, более 8…10 мВт и не зависит от частотной канальной расстановки или числа каналов. ............