Optyka światłowodowa

Cztery podstawowe okna światłowodu

Sposób rozchodzenia się fali świetlnej we włóknie optycznym opisują zasady geometrycznej optyki światłowodowej. Geometryczny opis tych zasad jest słuszny jedynie wtedy, gdy średnica rdzenia światłowodu jest znacznie większa od długości prowadzonej fali, a więc jedynie dla włókien wielomodowych. Opis rozprzestrzeniania się światła we włóknach jednomodowych, w których średnica rdzenia jest porównywalna z długością fali świetlnej, jest bardziej skomplikowany i wymaga stosowania zasad optyki falowej.

Największy wpływ na przebieg transmisji w ośrodkach wywierają współczynniki załamania światła – stanowiące charakterystyczną cechę medium transportowego o zdecydowanie różnych wartościach dla poszczególnych ośrodków przewodzenia. Charakterystykę załamania światła wzdłuż promienia światłowodu w rdzeniu włókna nazwano profilem załamania. Profil ten istotnie wpływa na szereg parametrów transmisyjnych, a w szczególności na szerokość pasma przewodzenia włókna. Zjawisko zmiany kierunku promienia przy zmianie współczynnika załamania wykorzystano w produkcji światłowodów. Po przekroczeniu kąta granicznego agr (czyli b=90°, sinb=1) następuje jedynie całkowite wewnętrzne odbicie wiązki światła.

W klasycznej optyce światłowodowej kąt padania i kąt odbicia na granicy dwóch ośrodków o różnych współczynnikach załamania są sobie zawsze równe, przy czym zazwyczaj część mocy promienia padającego przechodzi do drugieo ośrodka pod innym kątem . Warunek określający zależności kątowe w tych ośrodkach definiuje prawo Snella: gdzie n1, n2 są współczynnikami załamania ośrodków, natomiast kąty , są odpowiednio kątami między kierunkiem padania promienia świetlnego a prostą prostopadłą do granicy tych ośrodków.

Interpretacja zjawiska załamania i odbicia

Współczynnik załamania światła formalnie definiowany jako n=c/v (gdzie c oznacza szybkość światła w próżni, a parametr v szybkość światła w ośrodku przewodzącym) określa, o ile szybkość światła w przezroczystym ośrodku trans­misyjnym jest mniejsza od szybkości światła w próżni, która wynosi 299 792,5 km/s. Relacja ta powoduje, że promień świetlny w jednorodnym światłowodzie, o typowym współczynniku załamania 1,45, rozchodzi się wzdłuż osi rdzenia światłowodu zawsze z mniejszą szybkością niż w próżni i wynosi 206 753 km/s (ok. 2/3 szybkości światła). Współczynnik załamania światła w konkretnym ośrodku optycznym nie stanowi jednak stałej wielkości i silnie zależy od dwóch czynników: długości fali przesyłanego światła (z czym związane jest zjawisko dyspersji sygnałów optycznych) oraz wielkości natężenia sygnału świetlnego – wywołującego szereg nieliniowych efektów transmisji optycznej.

Zjawiska nieliniowe

Wzrost pojemności optycznych sieci transportowych i dążenie do zwiększenia zasięgu transmisji (wzrost mocy) mają wiele ograniczeń, wśród których jedynie kilka ma istotny wpływ na propagowanie sygnału optycznego wzdłuż włókna światłowodowego. Rozchodzeniu się światła towarzyszy wiele liniowych zjawisk optycznych oraz nieliniowych efektów falowych, z których najważniejszymi są: załamanie i odbicie światła, ugięcie (dyfrakcja) promienia świetlnego, interferencja (nakładanie się fal), polaryzacja, absorpcja, dyspersja (chromatyczna, modowa, falowodowa i polaryzacyjna), a także wiele innych efektów związanych z konkretnym medium transmisyjnym. Zjawiska nieliniowości we włóknie prowadzą do interferencji między kanałami, zniekształceń transmitowanych impulsów oraz dodatkowego zwiększania tłumienia, powodując łącznie pogorszenie warunków pracy systemu optycznego.

• Mieszanie czterofalowe FWM (Four Wave Mixing). Jest jednym z bardziej niepożądanych zjawisk nieliniowych (z pewnymi wyjątkami), towarzyszących transmisji optycznej WDM w światłowodzie. Polega na nakładaniu się dwóch lub więcej faz sygnałów optycznych o zbliżonych długościach fali, w wyniku czego powstają nowe fale o równie bliskich, lecz różnych częstotliwościach (dwóch nowych częstotliwości 2f1-f2 oraz 2f2-f1 – dla dwu fal pierwotnych, dziewięciu nowych dla trzech fal pierwotnych itd.). Generowane fale rozchodzą się w tym samym kierunku co fale podstawowe, jednak ich moc rośnie kosztem tych drugich. Aby zminimalizować wpływ mieszania czterofalowego, separacja częstotliwościowa kanałów optycznych powinna być większa niż 50 GHz, a także należy unikać pracy w zakresie minimum dyspersji chromatycznej włókna. Inaczej mówiąc, do poprawnej transmisji optycznej potrzebna jest niewielka dyspersja włókna światłowodowego (światłowody o niezerowej, przesuniętej dyspersji) przy mocach kilku mW.

Geometria promienia załamania i odbicia

• Skrośna modulacja fazy. Równie niepożądane, jak mieszanie FWM, nieliniowe zjawisko skrośnej modulacji fazy CPM (Cross Phase Modulation) pojawia się we włóknie światłowodowym podczas jednoczesnej transmisji więcej niż jednego kanału optycznego (technologie zwielokrotnienia WDM) przez pojedyncze włókno optyczne. Polega na przesunięciu fazy sygnału optycznego w konkretnym kanale na skutek zmiany natężeń sygnałów w innych, sąsiadujących kanałach. W wyniku wzajemnej modulacji kanałów o wysokim natężeniu impulsów świetlnych skrośna modulacja wywołuje wzajemne przenikanie sygnałów między dwoma (także wieloma) kanałami optycznymi prowadzonymi w jednym włóknie. Ochroną przed powstawaniem szkodliwego zjawiska CPM w III oknie światłowodowym jest stosowanie włókna o niewielkiej (niezerowej) dyspersji (dodatniej bądź ujemnej) w całym pasmie przenoszenia wzmacniaczy optycznych EDFA, a więc w pasmie 1530–1565 nm, czyli o szerokości ok. 4,6 THz.

• Samomodulacja fazy. Zjawisko samomodulacji fazy SPM (Self Phase Modulation) związane jest ze zmianą fazy fali świetlnej rozchodzącej się w światłowodzie w wyniku zmian natężenia światła. Ponieważ fluktuacje fazy sygnału świetlnego w czasie powodują odpowiednie zmiany częstotliwości sygnału, staje się to powodem nieliniowych przesunięć częstotliwości transmitowanego promienia świetlnego. Dla przeciętnie używanych mocy optycznych wprowadzanych do światłowodu rozszerzenie widma częstotliwościowego impulsu spowodowane samomodulacją jest nieznaczne.

• Wymuszone rozpraszanie Ramana. Ciągły proces rozpraszania Ramana SRS powstaje we włóknie światłowodowym w wyniku spotykania się dwóch fal różniących się charakterystyczną dla danego medium częstotliwością (częstotliwość Stokesa). W rezultacie moc fali o niższej częstotliwości (fala sondująca, czyli informacyjna) rośnie kosztem mocy fali o częstotliwości wyższej (fala pompująca). Zjawisko wymuszonego rozpraszania Ramana jest wykorzystywane w konstrukcji wzmacniaczy optycznych Ramana, gdyż umożliwia przekaz energii z lokalnej laserowej fali pompującej do strumienia informacyjnego transmitowanego wzdłuż włókna. Sygnał rozproszenia Ramana rozchodzi się w kierunku zarówno zgodnym, jak i przeciwnym do kierunku rozchodzenia się fali pompującej. Odmianą rozpraszania Ramana jest wymuszone rozpraszanie Brillouina, w którym proces rozpraszania zachodzi jedynie w kierunku wstecznym.

• Transmisja solitonowa. Techniki transmisyjne umożliwiają przesyłanie sygnału optycznego w medium światłowodowym za pomocą solitonu, czyli impulsu świetlnego o obwiedni (sekans hiperboliczny) formowanej przed rozpoczęciem transmisji przez układy modulatora laserowego. W liniowym ośrodku bez dyspersji kształt obwiedni sygnału podczas transmisji pozostaje niezmienny praktycznie jedynie w przestrzeni kosmicznej lub atmosferze, gdzie nie występuje dyfrakcja (ugięcie). Każdy inny ośrodek wykazuje nieliniowość optyczną, objawiającą się zmianą współczynnika załamania światła w funkcji natężenia strumienia świetlnego.

Wpływ skrośnej modulacji fazy CPM na kanały optyczne

W nieliniowym środowisku dyspersyjnym można jednak uzyskać trwałą i stabilną kompensację zniekształceń nieliniowych przez dobór właściwej dyspersji o przeciwnym działaniu. Stosując dyspersję anomalną, możliwy jest taki dobór kształtu impulsu wejściowego, jego amplitudy oraz czasu trwania, aby oba zjawiska (nieliniowość i dyspersja) wzajemnie się skompensowały. Impulsy te nazwano solitonami (samotna fala), a ich kształt nie ulega zmianie w trakcie transmisji przez dowolnie długi odcinek światłowodu.

Zasadniczą cechą transmisji solitonowej jest trwała równowaga między zniekształceniami nieliniowymi i dyspersyjnymi, w wyniku czego impuls solitonowy o specjalnym kształcie początkowym nie deformuje swego kształtu w czasie propagacji. Pomimo że teoria solitonu oraz jego własności propagacyjne były znane od 1895 r., pierwszą emisję solitonu o obwiedni impulsu sekans hiperboliczny zademonstrowali dopiero w 1980 r. Mollenauer, Stolen i Gordon – otwierając nową dziedzinę optoelektroniki (solitroniki) dla impulsów pikosekundowych (10-12 s) i femtosekundowych (10-15 s). Uzyskiwane obecnie przepływności z wykorzystaniem transmisji solitonowej ze zwielokrotnieniem WDM już przekraczają 10 Tb/s, z przywracaniem kształtu solitonu jedynie co kilkaset km włókna.