10.3.2. ФАЗОВЫЙ СИНХРОНИЗМ В ОДНОМОДОВЫХ СВЕТОВОДАХ

В одномодовых световодах для волн одной поляризапии вклад волноводной дисперсии в расстройку волновых векторов очень мал по сравнению с вкладом материальной дисперсии Д/см, за исключением окрестности длины волны нулевой дисперсии где они сравнимы по величине. Существуют три возможности приблизительного согласования фаз в одномодовых световодах: 1) использовать взаимодействие волн с небольшими частотами отстройки и небольшую мощность накачки, с тем чтобы уменьшить и Акт, 2) работать вблизи нуля дисперсии световода, где приблизительно компенсирует и 3) использовать взаимодействие в области отрицательной дисперсии групповых скоростей, где отрицательно и может скомпенсировать Эти три случая обсуждаются в данном разделе. Четвертый способ состоит в использовании двулучепреломления световодов, сохраняющих поляризацию, и обсуждается в следующем разделе.

Четырехволновое смешение с неточным согласованием фаз

Из формы спектра усиления, показанного на рис. 10.1, следует, что четырехволновое смешение возникает и в том случае, когда условие в выражении (10.3.1) выполняется не строго. Величина допустимой расстройки волновых векторов зависит от длины световода и когерентности длины Предполагая, что материальный вклад доминирует в (10.3.1), можно связать с частотным сдвигом используя выражения (10.2.26) и (10.3.6). В результате имеем

В видимой области типичное значение что дает км для частотных сдвигов При такой большой длине когерентности в одномодовых световодах может возникать четырехволновое смешение с таким сдвигом частоты что

В раннем эксперименте [8] три непрерывные волны с разностями частот в диапазоне распространялись по световоду с диаметром сердцевины 4 мкм длиной одномодовому на длине волны аргонового лазера 514,5 нм. Четырехволновое смешение приводило к генерации десяти новых частот так, что

где или 3 и Эксперимент показал также, что четырехволновое смешение может приводить к уширению спектра, величина которого возрастает с увеличением мощности излучения.

Линия непрерывного аргонового лазера шириной 3,9 ГГц уширялась в световоде до 15,8 ГГц при мощности накачки 1,63 Вт. О таком уширении спектра говорилось в разд. 4.1, где оно объяснялось процессом ФСМ, но его можно интерпретировать и в терминах четырехволнового смешения [32].

С прак тической точки зрения четырехволновое смешение может приводить к перекрестным помехам в многоканальных когерентных системах связи [26], где разность несущих частот каналов лежит в диапазоне 1-100 ГГц. В недавнем эксперименте [27] три непрерывные волны с частотами, отстоящими друг от друга на распространялись по световоду длиной 3,5 км и мощность девяти компонент четырехволнового смешения измерялась в зависимости от мощности и разности частот волн накачки. На рис. 10.6 показаны измеренные зависимости для волн с частотами где введены обозначения

В случае, показанном на рис. 10 6, а, , в то время как изменялась от 0,15 до 0,60 мВт. В случае менялась от 10 до Мощность генерируемого излучения зависела от линейно для компоненты и квадратично для Это объясняется в рамках теории, изложенной в разд. 10.2, поскольку генерируется в результате невырожденного, а -вырожденного по накачке четырехволнового смешения. Мощность излучения на частоте больше, чем на частотах также в результате

Рис. 10.6. Зависимость мощности генерируемого при четырехволновом смешении излучения от а) входной мощности и б) разности частот Длина световода 3,5 км [27].

Рис. 10.7. Диаграммы согласования фаз вблизи нуля дисперсии для трех значений длины волны накачки Точечные, штриховые и сплошные линии соответствуют и их сумме [15].

вырождения, но несколько иного рода, а именно в силу того, что к генерации одной и той же частоты могут приводить четырехволновые процессы с различными комбинациями взаимодействующих волн. Наконец, мощность падает с увеличением разности частот из-за расстройки фазовых скоростей. Следует заметить, что при мощностях накачки менее мощность генерируемого излучения составляла 500 пВт. Такое преобразование может заметно ухудшать характеристики когерентных линий связи, где чувствительность приемника может быть или менее в зависимости от скорости передачи.

Согласование фаз вбтзи длины волны нулевой дисперсии

Вклад материальной дисперсии в расстройку волновых векторов вблизи длины волны нулевой дисперсии, равной в обычных световодах 1,28 мкм, становится малым и меняет свой знак. Волноводный вклад зависит от конструкции световода, но обычно положителен для длин волн близи 1,3 мкм. В ограниченной области длин волн накачки и для определенных значений частотного сдвига расстройка может компенсировать величину На рис. 10 7 показано поведение (без учета для световода с диаметром сердцевины 7 мкм и с разностью показателей преломления 0,006 [15] Сердцевина легирована германием (мол Сдвиг частоты зависел от мощности накачки на длине волны и менялся в широком диапазоне Он гакже чувствителен к вариациям диаметра сердцевины и разницы показателей преломления. Эти два параметра могут использоваться для подбора частотного сдвига при заданной длине волны накачки [16].

В первом эксперименте [14] по четырехволновому смешению вблизи длин волн 1,3 мкм использовался световод длиной 30 м

и импульсы ИАГ-лазера с модулированной добротностью на длине волны 1,319 мкм в качестве накачки. Сигнал на длине волны 1,338 мкм был усилен на величину до 46 дБ, в то время как на выходе световода наблюдались три пары стоксовых и антистоксовых линий. Эти равноудаленные линии возникали в результате каскадного четырехволнового процесса, в котором уже сгенерированные частоты взаимодействовали одна с другой, генерируя новые частоты. В недавнем эксперименте [15] четырехволновое излучение возникало без сигнала из спонтанного излучения. Импульсы от лазера с синхронизацией мод на длине волны 1,319 мкм пиковой мощностью распространялись по световоду длиной Пиковая мощность превышала порог ВКР. На рис 10.8 показан полученный при этом спектр выходного излучения. В результате четырехволнового смешения генерируются стоксовы и антистоксовы линии на 1,67 и 1,09 мкм соответственно. Большой частотный сдвиг сравним с тем, что наблюдается в многомодовых световодах. Подобные эксперименты [16] показывают, что может варьировать в пределах при изменении диаметра сердцевины в пределах 7,2 8,2 мкм. Таким образом, фазовый синхронизм вблизи нуля дисперсии световодов позволяет использовать удобные источники новых длин волн, накачиваемые ИАГ-лазером с длиной волны 1,319 мкм.

Фазовый синхронизм, обусловленный ФСМ

Когда длина волны накачки лежит в области отрицательной дисперсии групповых скоростей и значительно отстоит от существенно превышает и условие согласования фаз не выполняется. Однако если отрицательно, то его может скомпенсировать нелинейный вклад Сдвиг частоты в этом случае зависит от входной мощности накачки. Действительно, если взять выражение (10 2.23) с подставленным в него то

Рис. 10.8. Спектр стоксовых и антистоксовых линий четырехволнового смешения в одномодовом световоде. Видна также полоса ВКР [15].

согласование фаз наступает в случае

где - входная мощность накачки. Таким образом, в среде с отрицательной дисперсией синхронизм при четырехволновом смешении достигается за счет процесса ФСМ; при этом генерируются боковые спектральные полосы с частотами Этот случай обсуждался в разд. 5.1, где говорилось о модуляционной неустойчивости. Как уже упоминалось, модуляционная неустойчивость в частотном представлении может рассматриваться в терминах четырехволнового смешения, в то время как во временном представлении она возникает в результате роста слабых возмущений из непрерывной волны. В самом деле, частота модуляционной неустойчивости (5.1.10) равна сдвигу частоты (10.3.10), что говорит об эквивалентности этих двух подходов.