НЕЛИНЕЙНЫЕ ФАЗОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ

July 10, 2012 by admin Комментировать »

Ф. Н. Игнатьев Московский авиационный институт (Гэсударственный технический университет) 125871, Москва, Россия E-mail: f. п. ignatie v@mtu-net. ru


Аннотация Обсуждается влияние остаточного поглощения излучения в полосе рабочих частот в оптических волокнах на фазовые характеристики сигнала.

I.  Введение

Волноводы, используемые в оптических информационных системах и связи, представляют собой волокна из диэлектрических и полупроводниковых материалов с низким, но конечным уровнем энергетических потерь в оптическом диапазоне. Остаточное поглощение энергии в полосе рабочих частот связано с возбуждением электронных и атомных состояний материала, которые сопровождаются структурными перестройками и рассматриваются как структурные нарушения или дефекты. Свойства структурных нарушений зависят от свойств материала и энергии излучения. Далее в качестве объекта исследования рассматривается силикатное стекло, являющееся типичным представителем диэлектрических стекол. Результаты исследования без каких-либо ограничений могут быть применены для анализа обсуждаемых в работе явлений и в других диэлектрических и полупроводниковых стеклах, а также оптических волокнах на их основе.

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный и теоретический материал касательно природы и свойств дефектов в силикатном стекле. Типичными для силикатных стекол являются дефекты, связанные с нарушением координации атомов кремния и кислорода, а также примесные центры, связанные как с технологией изготовления стекла, так и с направленной модификацией его свойств. Подобные структурные нарушения в волокне сопровождаются широким спектром изменений его макроскопических характеристик: геометрии волокна, возникновением внутренних напряжений, спектров наведенного поглощения и т.д. В оптике, однако, основное внимание традиционно сосредоточено на явлении наведенного поглощения и эффектах, вызываемых этим явлением в оптических приборах.

Предмет настоящей работы составляет исследование нелинейных фазовых явлений в оптических волокнах, возникающих вследствие поглощения электромагнитного излучения в полосе рабочих частот. Эти явления могут ограничить пропускную способность волокна в условиях частотного уплотнения сигналов. В этой связи далее основное внимание сосредоточено на анализе инициируемых дефектами изменений показателей преломления и упругонапряженного состояния оптических материалов и их влияния на фазовые характеристики оптических сигналов в волокне.

II.  Оценка нелинейного фазового сдвига

Оценка фазовой чувствительности волокна к поглощению энергии электромагнитного излучения АЕ в полосе рабочих частот, определяемая как Аф/ф-АЕ, приводит к выражению

I

здесь Aij изменение показателя преломления

сердцевины волокна обусловленное возмущением спектров электронных и атомных состояний материала, РII и Р]2 коэффициенты Поккельса, ez и ег аксиальная и радиальная деформации волокна, ЛЕ = AE(r,q>,z) поглощенная в волокне энергия рабочего поля. Второе слагаемое в правой части (2) определяет фазовую чувствительность волокна, обуславливаемую фотоупругим эффектом и деформациями волокна. Таким образом, фазовая чувствительность определяется инициируемыми дефектами деформациями волокна и изменениями показателя преломления его сердцевины.

Содержание оценки упруго-напряженного состояния тела в условиях дефектообразования составляет установление зависимости между возникающими напряжениями (деформациями) в теле и энергией, передаваемой телу излучением.

Передаваемую в элементарный объем тела энергию, AE(r,t), можно оценить выражением

Здесь: К изотермический модуль всестороннего сжатия, ат коэффициент теплового расширения, S

–      энергия, передаваемая веществу излучением в единичном акте взаимодействия, средняя величина изменения объема тела при образовании дефектад химический потенциал, cv теплоемкость при постоянном объеме, uik тензор деформаций, Sik символ Кронекера.

Первое слагаемое в правой части описывает напряжения, возникающие в теле вследствие инициируемых дефектообразованием изменений температуры.

Для качественной оценки числа дефектов п^, создаваемых в волокне излучением можно воспользоваться выражением

здесь со среднее значение частоты в рабочем интервале, w вероятность перехода возбужденного носителя заряда в состояние дефекта. Последовательная оценка, учитывающая статистический характер генерации дефектов в стекле и конечность времени жизни дефектов, предполагает решение стохастического уравнения баланса.

В силу аксиальной симметрии обсуждаемой задачи уравнение (4) допускает аналитическое решение. Изменение показателя преломления сердцевины волокна Ап,, обусловленное возмущением спектров электронных состояний материала, может быть оценено интерферометрией образца (в отсутствие инициируемых дефектообразованием напряжений).

III.    Заключение

Инициируемые остаточным поглощением изменения фазовых характеристик относительно малы, но подобно поглощению они накапливаются по мере прохождения сигнала через волокно. Величина обсуждаемого явления возрастает в условиях мультиспектрального уплотнения.

Внимания заслуживают также изменения материальной дисперсии волокна их влияние на ограничение полосы пропускания волокна.

NON-LINEAR PHASE PHENOMENA IN OPTICAL FIBERS

Ignatyev F. N.

Moscow Aviation Institute (State Technical University) Moscow, Russia, 125871

Abstract Phase phenomena initiated in optical fibers by residual absorption across operating frequency ranges are discussed.

I.  Introduction

Optical fibers are fabricated from dielectric or semiconductor materials with low but finite absorption in an optical range. This residual absorption results in the occurrence of defects in fibers affecting their dielectric and mechanical characteristics [1, 2, 4]. Variations in a core refractive index and deformations uj/c are the reasons for phase perturbations of a wave propagating along optical fibers.

II.  Theory

Estimation of the phase sensitivity of a fiber to residual absorption is found in the expression (1), where Ani is the variation of the refraction index n caused by perturbations of electronic and atomic spectra in the core, Pjj and P]2 are Pockels’ ratios of the core, ez and er are axial and radial strains in the core, and AE(r) is the radiation energy absorbed in the core. For qualitative estimations of the AE(r) the equation (2) is used, where ar is the residual absorption ratio and P(f,t) is the

signal power at the point r in a fiber at the time t . For the evaluation of stresses and strains in optical fibers caused by defects a theory has been developed [3]. Strains occurring in a fiber may be evaluated using the equation (4), where К is the isothermal compression modulus, a? is the thermal expansion coefficient, e is the energy irradiated to a body during a single instance of interaction, Qt is the average volume variation of a body when a defect occurs [1, 4], g is the chemical potential, Cy is the thermal capacity, is the strains tensor. Within the framework of qualitative evaluations the number of defects occurring in a fiber due to residual absorption may be estimated by the equation (5), where со is the average frequency value in the operational interval, w is the probability of excited charge carriers transiting into defective states.

III.  Conclusion

Changes of phase characteristics initiated by residual absorptions are slight but, similar to attenuation, they accumulate during a signal passage through a fiber and require more experimental researches. The magnitude of the discussed phenomenon grows in wavelength-division-multiplexed systems.

IV. Sources

1.  Eshelby J. (1954). ‘Distortion of a crystal by point imperfections’, J. Appl. Phys. 25, 255-261.

2.  Kosevich A. M. (1981). Physical Mechanics of Real Crystals. Kiev.

3.  Ignatyev F. N. Theory of irradiation-induced deformations in amorphous solids. (Unpublished)

4.  Tanimura K., Tanaka Т., Itoh N. (1983). ‘Creation of quasistable lattice defects by electronic excitation in Si02’.

Phys.Rev. Lett. 51, No 5, 423-426.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты