7.5. НЕВЗАИМНОСТЬ, ВЫЗВАННАЯ ФКМ

До сих пор в этой главе мы рассматривали ФКМ двух волн, распространяющихся в одном и том же направлении; эти волны отличались друг от друга длинами волн или состояниями поляризации. Третий возможный случай когда две волны с одинаковыми частотами и состояниями поляризации распространяются по световоду в противоположных направлениях. Прямая и обратная волны будут взаимодействовать друг с другом за счет ФКМ. Такое взаимодействие может привести к качественно новым свойствам, проявляющимся в виде оптической бистабильности [63 66], когда волоконный световод используется для создания нелинейного кольцевого резонатора. Также это может привести к оптическим неустойчивостям и хаосу [67, 68]. Особый интерес представляет невзаимность, вызванная ФКМ; она может воздействовать на работу волоконных гироскопов [69-74] и волоконных ВКР-лазеров [75].

Чтобы понять причину невзаимности между волнами, распространяющимися навстречу друг другу, воспользуемся методом из разд. 7.1. Если амплитуды прямой и обратной волн, то они Удовлятворяют уравнениям связанных амплитуд, аналогичным уравнениям (7.1.17) и (7.1.18). В частности, удовлетворяет уравнению

где «плюс» или «минус» соответствует или 2 соответственно. В случае непрерывного излучения эти уравнения легко решаются. Если для простоты пренебречь потерями в световоде, решение имеет вид

Рис. 7.16. Схема волоконного гироскопа. Излучение лазера вводится через -ный ответвитель, возбуждая встречные волны в многовитковой волоконной петле. Сдвиг фазы, вызванный вращением, измеряется фазочувствительным детектором.

где - значение пиковой мощности, нелинейный сдвиг фазы определяется выражением

Если то для двух волн, распространяющихся навстречу друг другу, сдвиги фазы неодинаковы. Эта невзаимность вызвана наличием коэффициента 2 в члене с ФКМ в выражении (7.5.3).

Невзаимность, обусловленная ФКМ, может оказаться вредной для высокоточных волоконных гироскопов [76], используемых для измерения скоростей вращения меньше На рис. 7.16 показана I схема конструкции волоконного гироскопа. Его действие основано на эффекте Саньяка [77], при котором между волнами, распространяющимися навстречу друг другу, возникает зависящий от скорости вращения сдвиг фазы. Суммарный сдвиг фазы определяется выражением

где -полная длина световода, скорость вращения и масштабный коэффициент, зависящий от длины световода и радиуса волоконной петли [76]. Если мощности Р, и постоянны, то член с ФКМ в выражении (7.5.4) несуществен. Но на практике уровень мощности может флуктуировать. Даже при разнице в мощности между встречными волнами в сдвиг фазы может измениться на если принять . Эта величина обычно соответствует эквивалентной скорости вращения что указывает на то, что ФКМ может значительно ограничить чувствительность волоконного гироскопа, если не контролировать уровень мощности с точностью до 10 нВт.

Для того чтобы уменьшить эффект ФКМ и улучшить работу гироскопа, можно воспользоваться рядом схем. В первой схеме [70]

лазерное излучение модулируется до того, как в волоконной петле будут возбуждены встречные волны. Так как возникает явная зависимость от времени, анализ этого случая осуществляется решением уравнения (7.5.1) с соответствующими граничными условиями [70. 74]. Результаты показывают, что эффект невзаимности можно значительно уменьшить, если должным образом выбрать частоту модуляции. Это понятно, так как ФКМ возникает только тогда, когда два импульса перекрываются по времени. Невзаимность, вызванная ФКМ, возникает из-за интерференции между встречными волнами. Модуляция уменьшает связь между ними, тем самым уменьшая эффективность такой интерференции. Действительно, тот же самый результат можно получить, используя широкополосные источники с ограниченным временем когерентности [71 73]. Для этих целей использовались тепловые источники или светодиоды [76].

Кратко рассмотрим воздействие ФКМ на оптическую бистабильность. Любая нелинейная среда, помещенная внутрь резонатора, может проявлять бистабильность [78, 79], и волоконные световоды не являются исключением. Если для этой цели использовать волоконный кольцевой резонатор, оптическая бистабильность может возникать вне зависимости от того, распространяется ли излучение по или против часовой стрелки. Интересная ситуация возникает, когда оптические волны возбуждаются в обоих направлениях. Из-за взаимодействия между встречными волнами за счет ФКМ устройство действует как две связанные бистабильные системы, и оно может обладать качественно новыми свойствами [63 66]. Хотя оптическую бистабильность наблюдали [68] для случая однонаправленного распространения в волоконном кольцевом резонаторе, исследование двунаправленного случая не привлекло большого внимания. Возможно, оптическая бистабильность в одномодовых волоконных световодах будет использоваться для быстрых оптических переключений.