Четырехволновое смешение

Для тех, кто пришел из радиосвязи, или беспроводной радиосвязи, четырехволновое смешение (ЧВС) напоминает нам продукты третьего порядка. Оно может полностью вывести из строя систему WDM. Оно появляется тогда, когда интенсивность лазерного сигнала достигает критического уровня. ЧВС заявляет о себе появлением побочных сигналов, некоторые из которых мо­гут соответствовать частотам рабочих каналов. Всякий раз, когда три или более сигналов распространяются по волокну, можно ожидать возникнове­ния четырехволнового смешения. Эти три световых сигнала: , , гене­рируют четвертый сигнал , подчиняющийся соотношению:

(7.5)

ЧВС может возникать даже в одноканальных системах между рабочим сигналом и составляющими ASE ОУ, а также между основной и боковыми модами. В случае двух сигналов, модуляция по интенсивности на частоте биений модулирует показатель преломления волокна и возбуждает фазовую модуляцию разностной частоты, которая (в свою очередь) создает две боко­вые полосы с частотами, порождаемыми этой разностью. В случае трех сиг­налов формируются больше составляющих из смеси суммарно-разностных частот большей амплитуды, некоторые из которых в точности соответствуют рабочим частотам соседних каналов, если шаг между канала­ми в системе одинаков. Две оптических волны, распространяющиеся вдоль волокна, генерируют ЧВС с высокой степенью эффективности, если согла­суются фазовые сдвиги между частотами боковых полос и начальным сигна­лом. Для относительно низких оптических мощностей это означает, что

, (7.6)

где — шаг между каналами по сетке частот, D — хроматическая дисперсия волокна (дисперсионный параметр), — центральная длина волны, L — длина волокна, с — скорость света в вакууме. Эффективность ЧВС также чувствительна к общей оптической мощности в волокне. Рас­смотрим следующее: для двух сигналов с оптическими мощностями Р ₁ и Р ₂ максимальный коэффициент параметрического усиления для боковых по­лос, g _max, может быть оценен так:

(7.7)

где g — нелинейный коэффициент Керра.

В системах WDM и, в особенности, DWDM, влияние ЧВС особенно разру­шительно. В системах DWDM с числом каналов N общее число возникаю­щих в результате действия ЧВС частот составляет

(7.8)

Например, четырехканальная система WDM формирует в результате 24 по­бочных канала, а восьмиканальная - 224 побочных канала, и т.д.

Особенно серьезные проблемы, благодаря ЧВС, возникают в системах, использующих волокно со сдвигом дисперсии. В противо­положность этому, расположение оптического рабочего канала непосред­ственно в точке нулевой дисперсии (или около нее) может привести к очень существенному процессу формирования продуктов ЧВС на очень неболь­шой длине (десятки километров). При использовании волокна с ненулевой смещенной дисперсией типа (особенно если оно имеет большую пло­щадь эффективной области) такой острой ситуации не наблюдается. Еще меньше ЧВС влияет на волокно без сдвига дисперсии, учи­тывая, что дисперсия здесь достаточно велика.

Уровень ЧВС чувствителен к следующим системным характеристикам:

- увеличению мощности в канале;

- увеличению числа каналов;

- уменьшению шага между каналами.

Так уровень ЧВС резко снижается в системах с шагом 200 ГГц, по срав­нению с системами с шагом 100 ГГц.

ЧВС уменьшается с уменьшением абсолютной величины хроматической дисперсии.

Генерация боковых полос ЧВС может привести к значительному обедне­нию мощности рабочих каналов. Кроме того, когда комбинационные гар­моники попадают на частоты рабочих каналов, то возникает параметричес­кая интерференция, которая может привести как к увеличению, так и уменьшению амплитуды рабочего импульса, в зависимости от фазовых со­отношений рабочего сигнала и сигналов боковых полос.

Параметрические потери вызывают закрытие глазковой диаграммы на вы­ходе приемника, приводя к ухудшению уровня ВЕК. Увеличение шага между несущими и хроматическая дисперсия уменьшают эффективность процессов ЧВС за счет разрушения фазовых соотношений между взаимодействующими волнами. Расположение частоты рабочего канала вблизи нуля дисперсии может привести к существен­ному формированию продуктов ЧВС на относительно короткой длине волокна (десятки километров). ЧВС также чувствительно к шагу между каналами.

В одноканальной системе, ЧВС может взаимодействовать между состав­ляющими ASE-шума ОУ и рабочими каналами, а также между основной и боковыми модами оптического передатчика. Накопленный ASE-шум, бла­годаря действию эффекта Керра, добавляет фазовый шум несущей рабочего канала, вызывая, тем самым, расширение хвостов спектра сигнала.

Спектры оптических сигналов на выходе одномодового волокна со смещенной дисперсией DS (а) и одномодового волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDS (б)