Лекция 9. Усилители на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и рассеяния Мандельштама-Бриллюена (ВРМБ).

Вынужденное и спонтанное комбинационное рассеяние (КР) и рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (РМБ). ВКР усилители и их применение. Шум фактор ВКР усилителей. Двухстадийные ВКР усилители. Двойное рэлеевское рассеяние в ВКР усилителях. Влияние шумов накачки на характеристики сигнала в линиях связи с ВКР усилителями. Сверхширокополосные ВКР усилители. Усиление оптических импульсов ВКР усилителями.

Принцип работы ВКР-усилителя

В ВКР-усилителях часть излучения накачки в результате когерентного процесса, получившего в отечественной научной литературе название вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), преобразуется в излучение на частоте сигнальной волны. В зарубежной литературе этот процесс называется вынужденным рамановским рассеянием (stimulated Raman scattering, SRS). Комбинационное рассеяние – результат взаимодействия в нелинейной среде между световым излучением и флуктуациями поляризации среды, вызванными колебаниями заряженных частиц. Такое взаимодействие приводит к обмену энергией между световой волной и средой и к возникновению или усилению рассеянных световых волн. Если интенсивность световой волны невелика, то ее влиянием на колебания среды можно пренебречь. В этом случае рассеяние происходит на хаотических тепловых колебаниях заряженных частиц и данное явление называется спонтанным комбинационным рассеянием света (КРС).

В кварцевом волокне тепловые колебания ионов Si и O на частоте приводят к модуляции поляризации среды на комбинациях частот, равных , где частота световой волны накачки. Вследствие этого возникает излучение на комбинационных частотах _ – (стоксова компонента) и (антистоксова компонента). На языке энергии фотонов стоксова компонента соответствует рассеянию с потерей энергии фотонами, а антистоксова компонента соответствует рассеянию с ростом энергии фотонов.

Максимум спектра КРС сдвинут на величину примерно ±40 см^–1 (~±13 ТГц).

При вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР) в оптическом волокне падающая электромагнитная волна достаточно большой мощности (волна накачки), взаимодействуя с сигнальной волной, когерентно возбуждает колебательную моду молекулы кварца (SiO2). В процессе распространения по волокну энергия излучения накачки преобразуется в энергию упругих колебаний молекул среды и в энергию сигнальной волны. Сигнальная волна, наоборот, усиливается за счет энергии волны накачки.

Определим коэффициент усиления слабого сигнала в процессе ВКР следующим образом:

,
где – зависимость мощности накачки от координаты вдоль оси усилителя; – мощность сигнала на входе в усилитель; – мощность сигнала на выходе из усилителя; – коэффициент комбинационного усиления, зависящий от характеристик волокна; – коэффициент, зависящий от поляризации сигнала и накачки ( = 1 при совпадающих поляризациях и = 0, 5 для полностью деполяризованной накачки; для ортогональных поляризаций < < 1).

Поскольку – это отношение мощности сигнала на выходе волокна при включенном усилителе к мощности сигнала на выходе при выключенном ВКР-усилителе, его называют ON/OFF-усилением.

Коэффициент усиления слабого сигнала в процессе ВКР при монохроматической накачке определяется выражением

где – мощности накачки на входе в усилитель; – мощность сигнала на входе в усилитель;

gR – коэффициент комбинационного усиления, зависящий от характеристик волокна; Leff = (1/P)[1 – (–PL)] – эффективная длина волокна; P, S – коэф-

фициенты затухания волны накачки и сиг-

нала соответственно.

Рис. 4. Экспериментально измеренная зависи_