Efecte neliniare in fibra optica

Efecte neliniare in fibra optica

Raspunsul ghidurilor dielectrice la lumina devine neliniar pentru campuri electromagnetice intense. Desi fibrele optice sunt ghiduri de unda cu o neliniaritate putin pronuntata, lumina fiind mentinuta in interiorul unui ghid cu sectiune transversala mica, lungimea acestora contribuie la cresterea neliniaritatii.

1. Difuzia inelastica a luminii

Difuzia inelastica a luminii consta in reducerea energiei fotonului (deci si a frecventei acestuia) la propagarea prin fibra optica. Principalele tipuri de difuzie sunt difuzia Raman si difuzia Brillouin. In ambele cazuri energia unui foton scade catre un nivel mai mic prin degajarea unui fonon. Diferenta intre cele doua tipuri de difuzii consta in tipul de fononi eliberati. Pentru difuzia Raman se emit fononi optici, iar pentru difuzia Brillouin se emit fononi acustici. Difuzia inelastica reprezinta atenuare suplimentara pe fibra optica. Pentru nivele mici de putere difuzia este neglijabila.

La nivele crescute de putere difuzia se accetnueaza, marind atenuarea pe fibra optica. Daca se depaseste o anumita valoare de prag () difuzia creste exponential si astfel atenuarea creste foarte mult. In functie de lungimea efectiva a fibrei optice, de coeficientul de atenuare si de dimensiunea spotului de lumina se de puterea de prag pentru cele doua tipuri de difuzie.

Lungimea efectiva a fibrei este ,iar reprezinta coeficientul de atenuare. Pentru lungimi mari ale fibrelor optice .

Pentru difuzie Raman, puterea de prag este . Pentru fibre optice pe baza de siliciu, operand la lungimea de unda de 1550 nm, castigul Raman m/W iar puterea de prag are valoarea de 570 mW. Cum puterea injectata in fibra are valori de 10 mW, difuzia Raman nu are o contributie semnificativa.

Pentru difuzia Brillouin, puterea de prag este. In aces caz cistigul Brillouin este m/W, puerea de prag ajungand la 1 mW. Deoarece banda castigului Brillouin este ingusta (<100 MHz), puterea de prag creste la peste 10 mW.

2. Refractia neliniara

Refractia neliniara reprezinta variatia indicelui de refractie a fibrei in functie de putere impulsului optic (efectul Kerr). Desi la nivele mici de putere refractia neliniara este neglijabila, pentru mari trebuie luata in considerare. Dependenta indicelui de refractie al miezului si al invelisului poate fi exprimat cu relatia

(2.72)

unde

Datorita dependentei indicelui de refractie de putere constanta de defazare a ghidului devine dependenta, de asemenea, de putere:

(2.73)

unde . (2.74)

Faza impulsurilor optice creste liniar in functie de lungimea fibrei, dar datorita refractiei neliniare se produce o variatie neliniara a fazei (automodularea fazei).

(2.75)

Pentru sistemele care detecteaza numai puterea impulsurilor, variatia fazei este nesemnificativa. Pentru sistemele la care este necesara o stabilitate a fazei, variatia indicelui de refractie limiteaza considerabil puterea maxima ce poate fi injectata in fibra, fenomenul fiind automodularea fazei

In cazul impulsurilor optice cu durata de ordinul zecilor de fentosecunde dispersia vitezei de grup si efectele neliniare se accentueaza. Un caz particular il reprezinta realizarea unei combinatii intre efectul automodularii fazei si dispersia vitezei de grup pentru a obtine fibre cu dispersie minima.

Dependenta indicelui de refractie de intensitate ecuatia (2.45) poate duce de asemenea la un fenomen neliniar intermodulatia fazei, datorat a doua sau mai multe canale separate care se propaga simultan prin fibra optica, folosind frecvente purtatoarea diferite. Varitia fazei pentru un canal anume depinde nu numai de puterea impulsului in canalul respectiv, dar si de puterea impulsurilor in celelate canale. Variatia de faza a canalului j poate fii exprimata astfel:

) (2.76)

unde M reprezinta numarul total de canale iar este puterea canalului j. Variatia totala a fazei depinde nu numai de puterea impusului in fiecare canal, dar si de sirul de biti de pe canale alaturate. Presupunind ca puterile corespunzatoare fiecarui canal sunt egale, iar doua canale invecinate transporta simultan biti de "1", variatia de faza este:

(2.77)

Astfel puterea pe iecare canal este limitata la mai putin de 1 mW, daca se folosesc M canale separate, chiar daca se lucreaza la lungimea de unda de 1550 nm.

Efectele intermodulatiei si a automodulatiei fazei sunt neglijabile pentru impulsuri optice relativ largi (<100 ps). Pentru impulsuri optice relativ inguste efectele dispersiei si cele neliniare actioneaza impreuna pentru a creea noi proprietati la propagarea impulsurilor optice. In absenta atenuarii, se poate ajunge la un echilibru intre automodulatie si dispersia vitezei de grup pentru a obtine impulsuri care sa-si mentina forma la propagare.

2.7. Atenuarea in fibra optica

Atenuarea prin fibra optica are trei componente caracteristice: absortia materilului, difuzia Rayleigh si atenuarea datorata imperfectiunilor ghidului.

Absortia materialului

Absortia materialului poate fii impartita in doua categori: absortia intrinseca si absortia extrinseca. Absortia intrinseca corespunde atenuarii datorate oxizilor de siliciu in stare pura, iar absortia extrinseca se refera la atenuarea datorita impuritatilor. Absortia intrinseca este caracteristica pentru radiatia ultravioleta (λ<400 nm), datorita rezonantelor electronice, iar pentru λ>1700 nm datorita vibratiilor moleculare. Se pot obtine atenuari minime de 0,03 dB/km pentru λ=1550 nm.

Absortia extrinseca se datoreaza impuritatilor (metale, ioni de hidroxil, dar si dopantii obisnuiti cum ar fii dioxidul de germaniu sau pentaoxidul de fosfor), pot produce atenuari semnificative. De exemplu ionii de hidroxil in concentratie de 1 ppm pot produce o atenuare de 50 dB/km pentru λ=1390 nm.

Difuzia Rayleigh

Difuzia Rayleigh reprezinta principalul mecanism al atenuarii datorat fluctuatiilor macroscopice de densitate, care duc la variatii ale indicelui de refractie. Difuzia Rayleigh reprezinta variatia cu λ^-4 a atenuarii prin fibra optica: , unde C=0,7-0,9 dB/km-μm⁴, in functie de dopajul miezului. Difuzia Rayleigh este predominanta la lungimi de unda relativ reduse, dar contributia sa este importanta (0,12-0,16 dB/km) chiar si la λ =1550 nm.

Contributia difuziei Rayleigh poate fii redusa la mai putin de 0,01 dB/km pentru λ>3000 nm. In acest domeniu fibrele din oxizi de siliciu nu se pot folosi datorita atenuarii intrinseci. Pentru λ>2000 nm se folosesc fibre optice realizate din fluorozirconat (ZrF₄), cu o atenuare intrinseca de 0,01 dB/km, deci aproape un ordin de marime comparativ cu fibrele optice realizate din oxid de siliciu. Fibrele optice realizate din calcogenid sau policristaline, operand in zona infrarosie indepartata, au o atenuare sub 0,001 dB/km.

Atenuarea datorata imperfectiunilor ghidului

Imperfectiunile ghidului se datoreaza neomogenitatilor miezului, curburilor fibrei optice si defectelor mecanice. Atenuarea produsa de neomogenitatile miezului sunt de obicei reduse, sub 0,03 dB/km. Daca curbura fibrelor optice are o raza de peste 5 mm, atenuarea este neglijabila.

Fig. 2. Atenuare in fibra optica; contributiile absortiei de material, a difuziei Rayleigh si a imperfectiunilor ghidului.