2.2.2. Нелинейные характеристики

Нелинейные оптические эффекты возникают в результате взаимодействия электромагнит­ного излучения световой волны с передающей средой- материалом оптического волокна.

Эти эффекты начинают проявляться в условиях высокой интенсивности светового сигнала и большой протяженности линий, поскольку нелинейное взаимодействие накапливается вдоль всей длины регенерационного участка. Взаимодействие светового сигнала и кварце­вой среды ОВ приводит к возникновению целого ряда нелинейных эффектов, которые мо­гут быть подразделены на две категории. Рассеивающие эффекты:

• вынужденное бриллюэновское рассеяние;

• вынужденное рамановское рассеяние.

Эффекты, имеющие природу эффекта Керра, т.е. изменение показателя преломления среды от интенсивности передаваемого излучения:

• фазовая самомодуляция;

• фазовая кросс-модуляция;

• четырехволновое смешивание.

Первым по мере увеличения мощности сигнала проявляется эффект четырехволнового смешивания, когда в результате нелинейного взаимодействия энергия из двух соседних спектральных каналов перекачивается в два паразитных канала (рис. 2.10). Новые каналы накладываются на рабочие каналы, создавая помехи. Влияние этого эффекта особенно вели­ко, когда длина волны нулевой дисперсии находится в рабочем диапазоне длин волн (волокно с нулевой смещенной дисперсией типа G.653).

Рис. 2.10. Влияние четырехволнового смешивания на дисперсию ОВ [2.8]: а) ОВ со смещенной дисперсией, 25 км,_D =0 пс/нмкм при = 1546,55 нм; б) ОВ с ненулевой смещенной дисперсией марки TrueWave, 50 км, _D= 2,5 пс/нмкм при = 1546,55 нм

Нелинейные эффекты являются важной проблемой высокоемких (высокоскоростных) систем передачи, которые используют эрбиевые оптические усилители, позволяющие вво­дить в ОВ сигнал высокой мощности, технику спектрального уплотнения и имеют большую протяженность.

Оптическое волокно характеризуется рядом нелинейных характеристик, среди которых следует отметить две, наиболее изученные к настоящему времени [2.7].

Эффективная площадь сечения. . Этот параметр определяет характерную простран­ственную область поперечного сечения ОВ, в которой происходит нелинейное взаимодейст­вие. Для волокон с несмещенной дисперсией (типа G.652 и G.654) вблизи длины волны от­сечки при ступенчатом показателе преломления расчет эффективной площади. , использующий гауссовую апроксимацию при интегрировании распределения интенсивности фун­даментальной моды в сечении волокна, дает выражение:

_, (9)

где — радиус модового поля.

При длинах волн, больших по сравнению с длиной волны отсечки, для волокон со сме­щенной и с ненулевой смещенной дисперсией типов G.653 и G.655 используется более об­щая эмпирическая формула, в которую вводится поправочный коэффициент — корректи­рующий фактор k:

_. (10)

Таким образом, для точного определения эффективной площади сечения конкретного типа волокна и для данной длины волны необходимо определить диаметр модового поля и корректирующий фактор (безразмерный коэффициент), представляющий собой отношение диаметра модового поля к .

В общем случае корректирующий фактор k зависит как от длины волны, так и от конст­рукции (профиля показателя преломления) волокна. Значения корректирующего фактора для некоторых волокон с разными показателями преломления приведены в табл. 2.1 [2.7].

Таблица 2.1. Корректирующий фактор k

Тип волокна (Рек. МСЭ-Т)	Корректирующий фактор для длин волн
	~1310 нм	-1550 нм
G.652	0,970...0,980	0,955...0,965
G.654	—	0,975... 0,985
G.653	0,940...0,950	0,945...0,960

Если рассматривать более узкий диапазон длин волн 1520... 1560 нм, то для волокон со смещенной и с ненулевой смещенной дисперсией типов G.653 и G.655 корректирующий фактор практически не зависит от длины волны.

Коэффициент нелинейности. При высокой интенсивности поля показатель преломле­ния материала сердцевины ОВ становится зависимым от интенсивности излучения и выра­жается как [2.7]:

_{, (11)}

_{где n – показатель преломления, — линейная часть показателя преломления, — нели­нейная часть показателя преломления, I — интенсивность светового потока, Р — мощность излучения.}

Нелинейная часть показателя преломления характеризует только свойства стекла ОВ. Методы непосредственного измерения этой величины в оптическом волокне еще недоста­точно разработаны. Стекло сердцевины оптического волокна в поперечном сечении неодно­родно по составу и физическим характеристикам, и, в общем случае, нелинейный показа­тель преломления должен быть различным в разных областях сердцевины.

Коэффициент нелинейности является наиболее полной характеристикой нелинейных свойств оптических волокон и используется для инженерных расчетов при рас­смотрении системных ограничений. Однако требования к численным значениям коэффи­циента нелинейности и нелинейного показателя преломления еще не сформули­рованы.