Нелінійні ефекти вимушеного непружного розсіювання світлової хвилі у волокні
Вимушене розсіювання Бріллюена (SBS - Stimulated Brillouin Scattering) встановлює верхню межу на рівень оптичної потужності, що може бути переданий з оптичного волокна. При досить великих переданих потужностях можуть виникнути нелінійні процеси, що змінюють параметри матеріалу. В результаті можлива поява вимушеного розсіювання Мандельштама - Бріллюена. Розсіяння Мандельштама - Бріллюена (часто називають вимушене розсіювання Бріллюена) виникає за рахунок коливань молекулярних складових в основному на мікронеоднорідності.
При перевищенні певного рівня оптичної потужності, іменованого порогом SBS, в ОВ виникає акустична хвиля, під впливом якої змінюється величина індексу рефракції n. Зміни n викликають розсіювання світла, приводячи до додаткової генерації акустичних хвиль. Таким чином, у випадку з SBS в процес втягуються акустичні фонони - молекулярні вібрації. Відбувається нелінійна взаємодія інтенсивної хвилі світла, що поширюється в прямому напрямку, зі спочатку слабкою хвилею розсіяного назад світла, а також з молекулярними коливаннями волокна або, ще можна сказати, з тепловою пружною хвилею в кварцовою середовищі (за рахунок явища електрострикції - зміна (стиснення) обсягу діелектрика під дією електричного поля). У результаті такої взаємодії у волокні виникають поздовжні хвилі показника заломлення, які рухаються зі швидкістю звуку (акустичні фонони) у серцевині волокна. Частина енергії поширюється в прямому напрямку сигналу, скажімо з частотою f1, розсіюється на хвилях показника заломлення тому зі зрушенням частоти f2. Ця друга хвиля називається хвилею Стокса-Stokes. p align="justify"> У металах теплопровідність обумовлена, в основному, передачею енергії електронами провідності. У кристалічних діелектриках основну роль грає передача енергії зв'язаних коливань вузлів решітки. У першому наближенні цей процес можна представити у вигляді поширення в кристалі набору гармонійних пружних хвиль, що мають різні частоти ?.
Електрон, що рухається в кристалі і взаємодіє з іншим електроном допомогою решітки, переводить її в збуджений стан. При переході решітки в основний стан випромінюється квант енергії звукової частоти - фонон, який поглинається іншим електроном. p align="justify"> Пружні хвилі в кристалі мають квантові властивості, які проявляються в тому, що існує найменша порція - квант енергії хвилі з частотою ? . Це дозволяє зіставити хвилі з частотою ? квазічастинки - фонони, поширенню яких зі швидкістю звуку v відповідає звукова хвиля.
Фонон має енергією
?, (1)
де h - постійна Планка;
? - Частота пружних хвиль. p> Таким чином, подібно до того, як квантування електромагнітного поля призводить до фотонам, квантування звукового поля призводить до фононами.
У процесі нелінійного розсіювання енергія передається від однієї світлової хвилі f1 до іншої зміщеною хвилі з більш низькою частотою f2 (або низькою енергією), а втрачена енергія поглинається молекулярними коливаннями або фононами середовища. При цьому частотний зсув оптичної несучої дорівнює приблизно 10 ... 15 ГГц. p> Слід зазначити, що взаємодія при має місце в дуже вузькій смузі частот. Але якщо в световодах маються неоднорідності у вигляді вигинів, стиснення або розтягування, то спектр SBS може досягти 100 ... 500 МГц. Цей ефект використовується в бріллюеновской рефлектометрії, призначеної для виявлення механічних впливів на оптичний кабель. p> Явище нелінійного розсіювання зростає зі збільшенням вхідної потужності і довжини лінії зв'язку. Вплив нелінійних явищ зростає також із збільшенням інтенсивності світла у волокні, яка при заданої потужності обернено пропорційна площі серцевини. p> Таким чином, при перевищенні деякого порога потужності нелінійні процеси призводять до переходу потужності первинних хвиль у випромінювання інших хвиль. Розсіяння Бріллюена в основному спрямовано у бік, протилежний поширенню електромагнітної енергії (рис. 1). p align="justify"> Зазначимо, що при малих оптичних потужностях (до порога SBS див. малюнок 2) відображена світлова хвиля збільшується прямо пропорційно рівню підводиться оптичної потужності, тобто підпорядковується Бріллюеновскому і релєєвського законам розсіювання, і відрізняється один від одного на постійну величину, яка визначається законом розсіювання Бріллюена-Мандельштама (в основному залежить від ефективної площі ядра ОВ - Аефф для даного матеріалу). І тільки після перевищення порога SBS настає лавинний процес збільшення потужності відбитої хвилі. p align="justify"> Тип...
