1.5.4 Нелинейные эффекты

Об этом из другой книги ↓
→ Нелинейности

Мощный уровень и маленькая эффективная область волокна, вызывают нелинейные эффекты. С увеличением уровня мощности и числа оптических каналов, нелинейные эффекты могут стать проблемным фактором в системах передачи. Аналоговые эффекты могут быть разделены на две категории:

1. Явления показателя преломления вызывают фазовую модуляцию:

• Фазовая автомодуляция (SPM)
• Перекрестная фазовая модуляция (XPM)
• Четырёхволновое смешение (FWM)

2. Стимулированные явления рассеивания приводят к потерям мощности:

• Стимулированное Рамановское рассеивание (SRS)
• Стимулированное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (SBS)

1.5.4.1 Феномен показателя преломления

Из другой книги ↓
→ Четырехволновое смешение

Нелинейные эффекты зависят от нелинейности показателя преломления n и причина в его увеличении при большой мощности сигнала. Так же нелинейные эффекты, такие как FWM, SPM, и XPM образуются в оптоволокне легированном эрбием (EDFA) при высокой производительности.

Четырёхволновое смешение (FWM)

FWM (Four-Wave Mixing) является интерференционным явлением, которое производит паразитные сигналы от трех частот (λ₁₂₃ = λ₁ + λ₂ — λ₃), то есть происходят, когда три различных канала индуцируют четвертый канал.

Существует много вариантов, при которых каналы могут объединиться, чтобы сформировать новый канал по вышеупомянутой формуле. Кроме того, созданные каналы тоже могут вызывать третий уровень паразитных частот.

Четырёхволновое смешение (FWM) в оптоволокне

Из-за мощных уровней, эффекты FWM производят много фантомных каналов (некоторые из которых перекрывают каналы сигнальные), зависимых от числа сигнальных каналов. Например, система с 4 каналами произведет 24 фантомных канала и с 16 каналами будет произведено 1920 каналов фантомных. FWM один из самых неблагоприятных нелинейных эффектов в системах DWDM.

В системах, использующих оптоволокно со смещённой дисперсией, FWM становится огромной проблемой, работая на длине волны приблизительно 1550 нм или на длине волны с нулевой дисперсией. Различные длины волн, долго перемещаются группой с одинаковой скоростью и в постоянной фазе по длинному промежутку времени и увеличивают эффекты FWM. В стандартном волокне (волокно не со смещённой дисперсией), определенное количество хроматической дисперсии происходит приблизительно на длине волны 1550 нм, приводя к различным длинам волны, с отличающимися групповыми скоростями, уменьшая эффекты FWM. Используя неправильный интервал между каналами также можно достигнуть сокращения эффектов FWM.

Фазовая автомодуляция (SPM)

Фазовой автомодуляцией (Self-Phase Modulation — SPM) называется эффект, возникающий при воздействии сигнала на собственную фазу. С высокими силами излучения свет вызывает изменение показателя преломления оптоволокна, известного как эффект Керра. Это явление производит канал из фазы, изменяющейся во времени. Изменяющийся во времени показатель преломления модулирует фаза передаваемой длины волны, расширяя длину волны спектра переданного оптического импульса.

Где L является расстоянием передачи, S — площадь сердечника оптоволокна и P — мощность оптического излучения

Фазовая автомодуляция (SPM) сигнала на волокне

Результатом является сдвиг к более коротким длинам волны в заднем фронте импульса (синее смещение) так же как сдвиг к более длинным длинам волны в переднем фронте импульса (красный сдвиг).

Из другой книги ↓
Вынужденное комбинационное рассеяние
(Рамана). Фазовая автомодуляция
Перекрестная фазовая модуляция

Смещение длины волны из-за SPM уменьшается при положительной хроматической дисперсии. За счёт неё при проектировании сети SPM может быть частично компенсировано.

Перекрестная фазовая модуляция (CPM)

Перекрестная фазовая модуляция (Cross-Phase Modulation — CPM) называется эффект при котором сигнал в одном канале изменяет фазу в другом канале. Подобно SPM, CPM происходит из-за эффекта Керра. Однако, эффекты перекрестной фазовой модуляции возникают только при передаче множества каналов в одном волокне. В CPM, та же самая частота смещена в края сигнала в модулируемом канале как в SPM, спектрально расширяя изначальный импульс.

1.5.4.2 Явление рассеивания

Явление рассеивания может быть характеризовано как процесс, когда сигнал лазера рассеивается молекулярным колебанием волокна (оптические фотоны) или виртуальным трением.

Вынужденное рассеивание Рамана (SRS)

Вынужденное Рамановское рассеиванием (Stimulated Raman Scattering — SRS) называется эффект, который преобразует энергию сигнала с короткой длиной волны в энергию сигнала с более длинной волной. Взаимодействие волны света с вибрирующими молекулами (оптические фотоны) в пределах кварцевого волокна вызывает SRS, рассеивая свет во всех направлениях. Длина волны разделяется между двумя сигналами интервалом приблизительно 100 нм (13.2 TГц), например, 1550 — 1650 нм отображают максимум эффекта SRS.

Вынужденное рассеяние Бриллюэна-Мандельштама (SBS)

Из другой книги ↓
Вынужденное обратное рассеяние
Бриллюэна - Мандельштама

Вынужденным рассеянием Бриллюэна — Мандельштама (Stimulated Brillouin Scattering — SBS) является явление обратного рассеяния, вызывающим потерю мощности. Мощные световые волны вызывают периодические изменения в показателе преломления волокна, которое могут быть описаны как виртуальное трение, перемещающееся как акустическая волна. Сигнал при этом явлении рассеивается обратно. Эффекты SBS происходят при передаче некоторого небольшого количества каналов

1.5.5 Сводка эффектов

Следующая таблица суммирует различные явления, связанные с ними ухудшения работы приёмо-передающей аппаратуры при передаче света по оптоволокну

Сводка эффектов передачи

Название	Причина	Мощность на канал	Эффекты	Компенсация эффектов
Затухание	Поглощение		• Более короткие длины волокна • Увеличение числа битовых ошибок	более чистое волокно
Хроматическая дисперсия (CD)	Зависимость от длины волны групповой скорости прохождения		• Увеличение числа битовых ошибок	компенсации дисперсии или модули (DCF/DCM)
Поляризационная модовая дисперсия (PMD)	Поляризационная разница скорости прохождения		• Увеличение числа битовых ошибок	Новое волокно с низким значением PMD Аккуратный монтаж оптоволокна Компенсаторы PMD
Четырёхволновое смешение (FWM)	Интерференция сигнала	10 мВт	• Уменьшенное пиковое питание • Генерация гармоник • Оптические перекрестные помехи (особенно в двунаправленных системах WDM) • Увеличенные битовых ошибки	Использование волокна с со смещённой дисперсией, изменение частот каналов
Фазовая автомодуляция (SPM) Перекрестная фазовая модуляция (CPM)	Изменение коэффициента преломления от мощности	10 мВт	• Спектральное расширение • Начальное сжатие импульса при положительной дисперсии • Ускоренное уширение импульса при отрицательной дисперсии • Перекрестные помехи канала из-за эффектов наложения • Увеличение числа битовых ошибок	Использование волокна со смещённой дисперсией
Вынужденное рассеивание Рамана (SRS)	Взаимодействие сигнала с расслоеной молекулярной структурой	1 мВт	• Уменьшенное пиковое питание • Оптические перекрестные помехи (особенно в двунаправленные системы WDM) • Увеличенные битовых ошибки	Осторожное изменение мощности
Вынужденное рассеяние Бриллюэн-Мандельштама (SBS)	Взаимодействие сигнала с акустической волной	5 мВт	• Нестабильность сигнала • Уменьшенное пиковая мощность • Уменьшенный OSNR • Оптические перекрестные помехи (особенно в двунаправленных системах WDM) • Увеличенные битовые ошибки	Спектральное расширение