Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Нелинейные и поляризационные явления в оптических волокнах и волоконно-оптических устройствах 11
1.1. Анализ нелинейных и поляризационных эффектов в волоконно-оптических системах передачи
1.2. Нелинейные явления в оптических волокнах 18
1.2.1. Четырехволновое смешение 24
1.2.2. Фазовая кросс- и самомодуляция 34
1.2.3. Вынужденное комбинационное рассеяние 35
1.2.4. Вынужденное рассеяние Манделыптама-Бриллюэна 37
1.3. Волокна с сохранением состояния поляризации 39
1.4. Поляризационные явления в оптических волокнах 40
1.4.1. Деполяризация 40
1.4.2. Поляризационная неустойчивость 42
1.4.3. Влияние поляризации на качество передачи информации 43
1.5. Постановка задачи и методология исследования 46
ГЛАВА 2. Оптические волокна с присадками ионов переходных металлов 49
2.1. Анализ разновидностей присадок и существующих способов внесения присадок в оптическое волокно 49
2.2. Введение в волокно присадки хрома Сг3+ методом пропитки 56
2.3. Анализ результатов пропитки 58
ГЛАВА 3. Четырехволновое смешение 62
3.1. Исследование спектра излучения He-Ne лазера 62
3.2. Экспериментальная установка
3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований 71
ГЛАВА 4. Вынужденное рассеяние 80
4.1. Экспериментальная установка 80
4.2. Результаты экспериментальных исследований 82
ГЛАВА 5. Поляризационные явления 92
5.1. Экспериментальная установка 92
5.2. Анализ результатов экспериментальных исследований 93
5.2.1 Степень поляризации 93
5.2.2 Характер поляризационной неустойчивости 95
Заключение 102
Список литературы 104
Приложение
- Анализ нелинейных и поляризационных эффектов в волоконно-оптических системах передачи
- Анализ разновидностей присадок и существующих способов внесения присадок в оптическое волокно
- Анализ результатов экспериментальных исследований
- Характер поляризационной неустойчивости
Введение к работе
Распространение света в оптических волокнах сопровождается рядом эффектов, к числу которых относятся четырехволновое смешение (ЧВС), фазовая кросс- и самомодуляция (ФКМ и ФСМ), вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). В условиях современных тенденций развития волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) с использованием оптических линий связи происходит постоянное увеличение передаваемых мощностей. Это в свою очередь приводит к неизбежному росту эффективности нелинейных процессов, и тогда их влиянием на качественные характеристики ВОСП нельзя пренебрегать. Хотя вопросам исследования нелинейных и поляризационных явлений посвящено много работ как российских, так и зарубежных ученых, все же есть направления, которые недостаточно изучены и требуют более детального подхода. Актуальными являются вопросы исследования поляризационных явлений, возникающих в оптических волокнах, волоконно-оптических устройствах и компонентах. К тому же непрерывно совершенствуемые и вновь создаваемые оптические материалы и волоконно-оптические устройства открывают новые возможности для научных исследований в данной области.
Цель диссертационной работы - исследование влияния присадок ионов переходных металлов и кольцевой конструкции на особенности нелинейного и поляризационного преобразования излучения в оптических волокнах.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: создана кольцевая волоконно-оптическая установка для экспериментального исследования оптических свойств волокон с присадками ионов переходных металлов; исследована нелинейная система уравнений для амплитуд волн, участвующих в четырехволновом смешении (ЧВС), в приближении неистощенной и истощенной накачки. Найдены решения в явном виде, удовлетворяющие граничным условиям, которые соответствуют условиям проведения эксперимента.
Исследован случай взаимодействия попутных волн в условиях истощенной и неистощенной накачки; изготовлено оптическое волокно с присадкой хрома; исследовано влияние кольцевой конструкции на особенности нелинейного преобразования спектра узкополосного излучения; измерена ширина спектральной линии исходного узкополосного излучения, используемого в эксперименте He-Ne лазера, на установке с интерферометром Фабри-Перо; исследовано влияние присадок переходных металлов на особенности поляризационного преобразования излучения; исследована возможность использования эффекта нелинейного рассеяния, полученного нетрадиционным способом, для изучения характеристик оптических волокон.
Все полученные в диссертационной работе научные результаты и используемые методы служат основой для создания новых волоконно-оптических приборов и устройств, в частности, волоконно-оптических конвертеров, а так же могут быть использованы для определения типа оптического волокна.
На защиту выносятся следующие положения: при использовании узкополосного излучения в кольцевой волоконно-оптической установке происходит уширение преобразованного спектра в сторону длинноволновой области. Характер уширения обусловлен нелинейными свойствами оптического волокна и зависит от его типа; наличие в оптическом волокне присадок ионов переходных металлов (Сг3+, Yb +) существенно влияет на степень деполяризации излучения, распространяющегося в волокне. Деполяризация излучения в меньшей степени проявляется в оптических волокнах, которые содержат такие присадки; характер вращательной дисперсии <рг{Х) зависит от типа оптического волокна и может быть определен в виде суммы функций ^(Л), соответствующих различным входным характеристикам излучения где /-индекс, учитывающий тип оптического волокна; у-индекс, учитывающий условия ввода излучения; с, - константа. Значение с} определяется типом волокна;
4) нелинейное рассеяние (ВКР и ВРМБ) совместно с релеевским и рассеянием на неоднородностях можно использовать для определения типа оптических волокон.
Результаты диссертационной работы изложены в статьях [11-22,69-73] и докладывались автором на конференциях:
58-й научной конференции творческой молодежи «Научно-технические и экономические проблемы транспорта» (г.Хабаровск, ДВГУПС, 2000).
Конкурсе научных работ по инженерным наукам среди молодых ученых, аспирантов и студентов Хабаровского края (г. Хабаровск, ХГТУ, 2000).
Третьем краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов (г. Хабаровск, ХГТУ, 2002).
Пятом краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов (г. Хабаровск, ХГПУ,2003).
Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока» (г. Хабаровск, ДВГУПС, 2001).
60-й региональной научно-практической конференции творческой молодежи (г. Хабаровск, ДВГУПС, 2002).
Третьей Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (г. Хабаровск, 2003).
8. Международном симпозиуме (Вторые Самсоновские чтения) «Прин ципы и процессы создания неорганических материалов» (г. Хабаровск, 2002).
9. Международной конференции «IQEC/LAT-YS 2002» (г. Санкт-Петербург, 2002). Ю.Третьей Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 2003» (г. Санкт-Петербург, 2003). 11 .Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (г, Владивосток, 2003). 12.43-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (г. Хабаровск, 2003). 13.Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование управления перевозочным процессом на железнодорожном транспорте с использованием новых информационных технологий» (г. Хабаровск, 2004). 14.«Фундаментальные проблемы оптики» (г. Санкт-Петербург, 2004). В первой главе проведен анализ литературных данных по нелинейным и поляризационным явлениям, возникающим в световодах и волоконно-оптических устройствах, в том числе и в кольцевых схемах. Рассмотрены разновидности волокон с сохранением состояния поляризации, механизмы возникновения и влияние на характеристики волоконно-оптических систем передачи некоторых поляризационных явлений, возникающих в волоконно-оптических линиях связи.
Анализ нелинейных и поляризационных эффектов в волоконно-оптических системах передачи
В работе [2] при использовании накачки одномодового лазерного диода Л = 0,98мкм 30 — 100 мВт в схеме эрбиевого волоконного лазера, состоящего из двух резонаторов - кольцевого и линейного, успешно реализован механизм пассивной модуляции добротности за счет совместного процесса релеевского рассеяния РР и ВРМБ. Кольцевой резонатор изготовлен из отрезка стандартного одномодового волокна длиной 2 м, а линейный - из Er-волокна длиной 7м и отрезка стандартного одномодового волокна длиной 5м.
В [3] исследовано комбинационное рассеяние импульсного лазерного излучения в волокне Si02 диаметром 400 мкм и длиной 40 м. В [4] получено ВКР усиление в волокне на основе As-Se. Рамановские усилители с использованием трех источников накачки описаны в работе [5], также рассмотрено взаимодействие сигналов накачки между собой и с усиливаемыми сигналами.
Работы [6,7] посвящена изучению ограничений, накладываемых ВРМБ на дальность оптической связи. В [6] экспериментально исследовано ВРМБ в волоконно-оптической линии связи при больших мощностях передаваемого сигнала (400 мВт). Показано, что ФСМ оказывает влияние на порог ВРМБ. Установлено, что если ширина линии накачки А/н во много раз пре ышает ширину спектра ВРМБ усиления (AfB « 20 МГц), то ВРМБ-усиление gE уменьшается в /A f Vа3 Увеличением скорости передачи данных эффективность преобразования накачки резко уменьшается, а порог ВРМБ не может быть достигнут при сколь угодно больших мощностях. В этом случае нелинейное уширение спектра доминирует над процессом ВРМБ. Построена аналитическая модель развития ВРМБ в одномодовом световоде, учитывающая влияние ФСМ, на основе которой проведен теоретический расчет критической мощности в длинных линиях связи (L »а ]), Построен график зависимости эффективности ВРМБ от ширины спектра сигнала накачки на входе линии. Вопросам исследования влияния ФКМ на подавление ВРМБ в системе оптической связи посвящена работа [7].
В работе [8] экспериментально измерен порог ВРМБ в усилителе на волокне с одномодовой оболочкой и двойной оболочкой. В работе [9] описан волоконно-оптический лазер, действие которого основано на эффектах ВРМБ и ЧВС с использованием взаимодействия между стоксовыми линиями, возникающими при ВРМБ и и антистоксовыми линиями, которые возникают при четырехволновом смешении. Для увеличения эффективности ВРМБ с целью улучшения качества конструкции твердотельной лазерной системы в работе [10] предложено использовать многомодовое кварцевое волокно с высоким порогом повреждения (17 кВт при Л = 1064 ни) при отражении излучения, генерируемого в результате ВРМБ. ВКР и ВРМБ лежат в основе действия установки [11,12], позволяющей идентифицировать тип оптического волокна по характеру распределения интенсивности излучения по поперечному сечению световода. В качестве источника накачки используется лампа накаливания, световая энергия которой вводится в боковую поверхность волокна. При использовании в кольцевой волоконно-оптической установке, описанной в работах [13-20], излучения He-Ne лазера, спектр которого представлен в работах [21,22], происходит уширение преобразованного спектра в сторону длинноволновой области. Характер уширения обусловлен ЧВС и зависит от типа оптического волокна. Появление микроструктурированных (МК) и фотокристалических (ФК) волокон открывает новую фазу в нелинейной волоконной оптике, нелинейной оптике мощных сверхкоротких лазерных импульсов, физике сильных световых полей, нелинейной спектроскопии, телекоммуникационных технологиях и дру 13 гих областях науки и техники [23,24]. МО и ФК-волокна обеспечивают высокую степень локализации электромагнитного излучения в сердцевине волокна, что позволяет достичь радикального увеличения эффективности целого класса нелинейно-оптических явлений. Увеличение эффективности нелинейно-оптических взаимодействий и возможность управления дисперсионными свойствами волноводных мод открывают новые возможности для преобразования частоты, трансформации спектра и управления параметрами сверхкоротких лазерных импульсов. Управление дисперсией волноводных мод в ФК-волокнах позволяет решать проблему фазового согласования для процессов четырехвол-нового смешения, тем самым увеличивая эффективность нелинейного процесса. В работе [23] экспериментально продемонстрирована возможность перестройки частоты антистоксовых спектральных компонент, генерируемых при распространении фемтосекундных импульсов титан-сапфирового лазера через кварцевые каналы МС-волокон. В работе [25] продемонстрировано оптически управляемое устройство импульсного переключения и модуляции излучения высокой мощности в оптических волокнах на основе рамановского рассеяния. Представлены передаточная функция оптического переключателя на основе волоконно-оптического интерферометра Саньяка и характеристики рамановского модулятора для мощных иттербиевых волоконных лазеров в зависимости от мощности лазера и концентрации германия в волокне. Экспериментально продемонстрировано спектрально-селективное оптическое переключение для импульсов длительностью 120 пс с частотными сдвигами 420 и 490 см"1. Мощность накачки, требуемая для переключения импульсов, оценивается величиной, достигающей 10 Вт при длине волокна 100 м, площадью волноводной моды 10" см и 20 мол. %-ной концентрацией GeCb- Утверждается, что соответствующий выбор нелинейного оптического материала с высоким рамановским усилением и узкой полосой частот может понизить требования к мощности. В зависимости от частотного сдвига сигналы на разных длинах волн могут быть усилены или подавлены. Работы [26-29] посвящены исследованию модуляционной неустойчивости излучения в волноводах. В работе [29] рассмотрена модуляционная неустойчивость режима одночастотного распространения в волокнах с сильным двулучепреломлением, исследованы спектральные свойства ВКР в двулучепре-ломляющих оптических волокнах с высокоэллиптичной сердцевиной. Представляют практический интерес разработки оптоволоконных сенсорных систем для измерения различных физических параметров [30-32], в частности, в работе [30] рассматривается рассеяние Бриллюэна в оптическом волокне для создания сенсоров температуры и деформации. В работе [33] разработаны, теоретически обоснованы и экспериментально реализованы схемы трехмерной микроскопии, основанные на нелинейно-оптических процессах генерации третьей гармоники и ЧВС. В работе [34] представлены рамановские усилители на оптическом волокне на основе двуокиси кремния с шириной полосы усиления до 114 нм и максимумом усиления слабого сигнала до 41,5 дБ Одним из требований, предъявляемых к волоконно-оптическим усилителям EDFA, необходимым для осуществления качественной связи, является равномерность усиления во всей усиливаемой полосе частот. С целью сглаживания кривой усиления можно использовать предложенное в работе [35] одновременное усиление стоксового и антистоксового излучения, основанного на явлении ВКР в условиях фазового квазисинхронизма, совместное с EDFA.
Анализ разновидностей присадок и существующих способов внесения присадок в оптическое волокно
ФКМ, ФСМ и ЧВС - это нелинейные эффекты, в процессе которых не происходит обмена энергией между электромагнитным полем и диэлектрической средой, а ВКР и ВРМБ относятся к категории нелинейных эффектов, при которых электромагнитное поле излучения накачки передает часть своей энергии нелинейной среде. Явления в оптических волокнах, которые связаны с эффектом рассеивания световой волны, обусловлены взаимодействием световых волн с фононами (молекулярная вибрация) в кварцевой среде. Тип фононов для ВКР и ВРМБ неодинаков: в ВКР принимают участие оптические фотоны, а в ВРМБ - аккустические. Основное отличие ВКР и ВРМБ от ЧВС состоит в том, что при процессах рассеяния согласование фаз достигается автоматически.
ВКР и ВРМБ возникают, когда мощность излучения превышает некоторое пороговое значение. При возбуждении среды мощным излучением происходит модуляция ее параметров, что приводит к модуляции рассеянного излучения и появлению в нем новых спектральных компонентов: стоксовое - смещенное вниз по шкале частот относительно излучения накачки на величину, равную колебательным частотам облучаемого вещества, и антистоксовое - равное сумме падающего и колебательных частот вещества. Энергия переносимая антистоксовой волной больше энергии накачки на дополнительную величину, которую передают ей возбужденные молекулы среды. Т.к. антистоксово излучение определяется молекулами, находящимися в возбужденном состоянии, то его интенсивность ниже интенсивности стоксова излучения на несколько порядков. Как ВКР так и ВРМБ связаны с возбуждением новых колебательных и, в меньшей степени, вращательных энергетических уровней частиц среды [26].
Явление рассеивания характеризуется коэффициентом усиления g, измеряемого в м/Вт,я шириной спектра A f, в котором присутствует усиление.
Если в волокно вводятся два или более сигналов различных длин волн, ВКР вызывает передачу мощности от сигнала с низкой длиной волны к сигналам более высокой длины волны. В отличие от ВРМБ (с шириной полосы усиления А/Б =10-ь20МГг/ и максимумом ВРМБ-усиления на стоксовом сдвиге порядка 10МГЦ [26,36]) комбинационное рассеяние характеризуется более широкой полосой усиления AfR = 5-ИО ТГц [26,36], с широким максимумом усиления возле 13 ТГц. Такое поведение AfR связано с некристаллической природой стекла, где полосы частот молекулярных колебаний перекрываются и создают континуум. Благодаря этому свойству световоды могут использоваться как широкополосные усилители.
С одной стороны благодаря ВКР возможно создание широкополосных ВКР-усилителей и перестраиваемых ВКР-лазеров, но, с другой, - возникают ограничения характеристик многоканальных оптических линий связи из-за переноса энергии из одного канала в соседние [26]. ВКР ограничивает максимально допустимую мощность канала и расстояние между соседними каналами и становится существенным лишь для систем с сотнями каналов.
В отличие от ВКР, излучение, рассеянное по механизму Мандельштама-Бриллюэна, распространяется только в направлении, противоположном возбуждающему. Поэтому в ВОЛС ВРМБ порождает перекрестные помехи, если передача ведется в противоположных направлениях. Действие ВРМБ в волокнах на практике не учитывают до тех пор, пока разнос несущих превышает 20 МГц. Кроме того, ВРМБ может создать большие искажения в пределах одного канала, т.к. создает усиление в направлении, противоположном направлению распространения сигнала, т.е. к источнику излучения [36].
Коэффициент усиления для ВРМБ значительно выше, чем для ВКР. Особенностью ВРМБ является то, что максимально допустимая мощность канала не зависит от числа мультиплексируемых каналов, а коэффициент усиления не зависит от длины волны и приблизительно равен gB «(4- 6)-10-11 м/Вт [26,36]. Для ВКР gR «1-Ю-13 мі Вт [26]. Т.к. коэффициент gR на два порядка величины меньше, чем gE, то в кварцевых волокнах явление ВРМБ можно наблюдать при мощности накачки порядка 10 мВт, в то время как ВКР - при мощности 1 Вт. ВРМБ - это единственное из описываемых нелинейных явлений, влияние которого зависит от скорости передачи: оно уменьшается с ростом скорости. ВРМБ можно пренебречь для импульсов короче 10 НС.
Несмотря на малые величины нелинейных коэффициентов нелинейные эффекты в оптических волокнах можно наблюдать даже при относительно низких мощностях. Это становится возможным благодаря малому размеру моды и низким потерям [26].
ЧВС - это параметрический процесс третьего порядка, при котором происходит взаимодействие четырех оптических волн через нелинейный отклик электронов внешних оболочек. Параметричность обусловлена светоиндуциро-ванными изменением параметров среды волокна. ЧВС теснее других связано с параметрами среды: на него влияют не только длина волокна и площадь поперечного сечения сердечника, но и расстояние между соседними каналами и дисперсия [26].
Анализ результатов экспериментальных исследований
Строго говоря, величина восприимчивости х обладает дисперсией, из за чего значение х неодинаково для разных частот. В знаменателе х содержатся множители типа "(ю-т + Г). где коэффициент Г отвечает за поглощение среды. При частотах ш близких к собственным частотам среды аср про исходит сильное резонансное возрастание величины восприимчивости х благодаря чему процесс вырожденного ЧВС удается наблюдать даже с непре рывными лазерами [74]. В волоконных световодах резонансы х расположены вне области длин волн 0,5-2 мкм.
Изо всех рассматриваемых нелинейных явлений ЧВС (четырехволновое смешение) чаще всего возникает в WDM системах. Смешение четырех волн, проявляясь во внутриканальных перекрестных помехах, является нежелательным эффектом в WDM-каналах, устранить которое можно разными способами. Одним из них является выбор неодинаковых разностей частот между соседними каналами. Другим способом снижения влияния ЧВС является увеличение интервалов между каналами. На практике можно пренебречь ЧВС, если расстояние между соседними каналами /2 -/ 20 ГГц (1,6 им), т.к. эффективность смешения уменьшается с увеличением интервалов между каналами из-за увеличения Ajff. Однако это снижает коэффициент использования волокна, т.к. уменьшается число передаваемых каналов, приводит к различию групповых скоростей между каналами и, как следствие, к увеличению полосы пропускания всей системы. Кроме того, ЧВС подавляется дисперсией, т.к. она нарушает фазовый синхронизм. По этой причине волокно со смещенной дисперсией DSF (Dispersion-Shifted Fiber), созданное в целях устранения хроматической дисперсии в диапазоне 1550 нм, малопригодно для WDM систем, вместо него используют специальные типы волокон (True Wave, All Wave и др.), для которых максимально допустимая мощность канала слабо зависит от числа мультиплексируемых каналов [36].
Важным применением четырехволнового смешения является демонстрация сжатых состояний в волокнах, когда шумовые флуктуации понижаются до уровня квантового шума. Свойства ФСМ и ФКМ следуют из рассмотрения нелинейной поляризации третьего порядка [26,36,74,75], заданной выражением (1.18). При рассмотрении n-частотной системы излучения амплитуда излучения на каждой частоте As (j = 1 ....п ) подчиняется уравнению распространения Система возникших п связанных уравнений имеет решение в виде где Pj - мощность излучения на частоте mj \ фі - нелинейный фазовый набег, который приобретает электромагнитная волна, пройдя расстояние L в волокне, определяемый соотношением Первое слагаемое в (1.54) отвечает за эффект ФСМ, а остальные - за ФКМ. В первом случае сигнал воздействует сам на свою фазу, во втором - на фазу другого сигнала. Важным моментом в (1.54) является то, что при совместном распространении п полей нелинейный набег фазы, обусловленный ФКМ, в два раза больше, чем ФСМ. Из выражения (1.54) следует, что ФСМ и ФКМ вызывают набег фазы, зависящий от интенсивности и длины распространения. ФСМ и ФКМ возникают вследствие зависимости показателя преломления световода от интенсивности (т.к. у задана выражением (1.12) [26] где п(о ) - линейная часть показателя преломления; Е 2 - интенсивность поля внутри волокна; п2 нелинейный показатель преломления. В кварцевых волоконных световодах пг изменяется в диапазоне (3,2-К3,4)10 8 мкмг!Вт, составляя, как правило, =3,2-10-8 мкм2/Вт [26,36].
Тензор х{У) может влиять на поляризационные свойства оптического излучения через нелинейное двулучепреломление, когда постоянные распространения рх и ру для мод, поляризованных в х- и у- направлениях, становятся различными [26].
ФСМ и ФКМ накладывают ограничение на максимально допустимое значение канальной мощности. На практике ФСМ необходимо учитывать в системах связи со скоростями от 10 Гбит/с и выше. ФКМ в системах WDM представляет серьезную проблему, когда каналы расположены близко друг к другу (несколько десятков ГГц). Из-за ФСМ и ФЬСМ может происходить спектральное уширение коротких импульсов. С другой стороны благодаря совместному действию ФСМ и дисперсии возможно существование оптических солитонов в области аномальной (отрицательной) дисперсии групповых скоростей [26,36].
ФКМ возникает, когда два оптических поля на разных частотах поляризованных вдоль одной оси одновременно распространяющихся в одном волокне, воздействуют друг на друга посредством зависимости показателя преломления от интенсивности. Нелинейная связь, вызванная ФКМ, может возникать также и вследствие взаимодействия между ортогонально поляризованными х- и у-компонентами одного излучения в двулучепреломляющем световоде [26].
Характер поляризационной неустойчивости
Нелинейность световода может вызывать взаимодействие между распространяющимися волнами за счет ФКМ, вызывая нелинейное двулучепреломление. ФКМ всегда сопровождается ФСМ. Интерес вызывают случаи, когда взаимодействуют [26]: 1) волны с разными частотами линейно поляризованные вдоль одной из главных осей световода, поддерживающего поляризацию, так что они могут сохранять свою поляризацию при распространении; 2) компоненты вектора поляризации одной и той же оптической волны. Нелинейная связь между двумя ортогональными компонентами вектора поляризации оптической волны изменяет соответствующие компоненты показателя преломления на различные величины Лпх и Лпу, вызывая самоиндуцированное или двулучепреломление. В последнем случае нелинейное двулучепреломление является причиной поляризационной неустойчивости, которая проявляется в виде значительного изменения выходного состояния поляризации, когда входные мощность или состояние поляризации изменяются незначительно. Из-за не идеальности строения стандартное волокно можно рассматривать в виде суммы двулучепреломляющих секций произвольной длины, как это показано на рис.1.3. Каждый такой участок волокна можно идентифицировать как световод, имеющий «медленную» пх и «быструю» пу оси (пх пу). Нелинейное двулучепреломление может: - добавляться к собственному линейному, делая отрезок волокна более двулучепреломляющим, если входное излучение поляризовано близко к «медленной» оси световода; - уменьшать его на величину, зависящую от входной мощности, если входное излучение поляризовано вдоль «быстрой» оси световода. В результате рассматриваемый отрезок световода становится менее двулучепреломляющим. При критическом значении входной мощности нелинейное двулучепреломлениє может полностью скомпенсировать собственное. При дальнейшем увеличении входной мощности участок световода становится снова двулучепреломляющим, но «медленная» и «быстрая» оси меняются местами. Поляризационная неустойчивость эффективней проявляется тогда, когда выполняются два условия: - входное излучение поляризовано вдоль «быстрой» оси световода; - входная мощность близка к критической мощности, необходимой для баланса линейного и нелинейного двулучепреломления [26]. Если собственное двулучепреломление промодулировано вдоль длины световода, то поляризационная неустойчивость может привести к хаосу в выходном состоянии поляризации [51]. Модулированное двулучепреломление может возникать, когда световод однородно скручен при намотке на барабан, либо в процессе производства заготовки [26]. На поляризацию излучения, распространяющегося в волокне, влияют: отклонение от формы симметричной относительно оси сердечника (осевая асимметрия), изгибы и микротрещины волокна, электромагнитные поля, механические напряжения, вид материала, различие в коэффициентах термического расширения сердцевины и оболочки, радиоактивное облучение и другие явления и причины. Вследствие того, что вышеперечисленные факторы чаще всего носят случайный характер, заранее невозможно предсказать какой будет поляризация на выходе волокна. Т.е. имеет место поляризационная неустойчивость [26]. Фундаментальной характеристикой одномодовых волоконно-оптических компонентов является поляризационная модовая дисперсия, возникающая вследствие задержки распространения ортогонально поляризованных волн. Поляризационной модовой дисперсией PMD называют среднеквадратичное значение дифференциальной групповой задержки PMD = {Arf . Последняя при определенных условиях становится соизмеримой с хроматической дисперсией. Более того, распределение энергии сигнала по различным состояниям поляризации медленно изменяется со временем, например вследствие изменений температуры окружающей среды, что в свою очередь вызывает изменение во времени и требует запаса мощности из-за поляризационной модовой дисперсии PMD. Возникновение дифференциальной групповой задержки обычно вызывает ряд искажений информационного сигнала, включая увеличение длительности импульса. В этом отношении влияние поляризационной модовой дисперсии сходно с влиянием хроматической дисперсии. Но в отличие от хроматической дисперсии, поляризационная модовая дисперсия на любой длине волны сигнала одномодового оптического волокна не является стабильной, что усложняет методы и устройства компенсации ее влияния. Поляризационная модовая дисперсия оказывает существенное влияние на протяженные ВОЛС, использующие высокоскоростные системы передачи, в связи с чем становится актуальным вопрос ее коррекции на линиях связи [36].
В дополнение к поляризационной модовой дисперсии на функционирование системы оказывают влияние некоторые другие зависящие от поляризации явления. Одно из них возникает вследствие того, что потери многих компонентов зависят от состояния поляризации проходящей световой волны и носят название зависящих от поляризации потерь. Параметр зависящих от поляризации потерь показывает максимальное различие в затухании для двух ортогональных состояний поляризации, имеет размерность дБ. Поляризационная модовая дисперсия волокна приводит к модуляции поляризации и затем, ввиду зависящих от поляризации потерь компонентов, - к различному ослаблению состояния поляризации спектральных составляющих. Эти потери преобразуют изменяющуюся поляризацию в соответствующее изменение интенсивности сигнала.
