Четырехволновое смешение ( ЧВС )

Введем в вещество (в волокно) два оптических сигнала с частотами причем . Если их интенсивность достаточно велика, то в спектре рассеянного излучения будут весьма заметными составляющие с частотамии  и Таким образом, частотный спектр рассеянного сигнала (с учетом рэлеевского рассеяния) будет содержать компоненты излучения с четырьмя значениями частот:  и  , Поскольку,  могут быть случаи, когда v_fl = v_w2, при этом составляющая с частотой v_{c 2} увеличивается по интенсивности и может увеличить вероятность перехода некоторого числа микрочастиц в следующее колебательное состояние, при котором может возникнуть фонон с частотой  и фотон с частотой. В результате такой комбинации частотный спектр рассеянного излучения расширяется, причем некоторые из составляющих могут усиливаться за счет подавления других. Такое нелинейное явление получило наименование четырехволнового смешения (ЧВС или FWM — four wavelength Mi­xing). В работе [63] отмечается, что при N оптических сигналах со своими частота­ми в результате ЧВС количество составляющих определяется соотношением:    (6.28)

Заметим, что явление ЧВС может заметно проявляться и при одном оптическом сигнале, который переносит информацию методом модуляции по интенсивности. При таком методе модуляции, как и при амплитудной модуляции в радио­диапазоне спектр сигнала состоит из трех составляющих: где/ — централь­ная частота (частота несущей) и две боковые частоты  и  При высокой скорости передачи, например 10 Гбит/с или 40 Гбит/с, частоты боковых составляющих заметно отличаются от центральной частоты и каждая из них с точки зрения процесса ЧВС является самостоятельной оптической несущей.

Нелинейный процесс четырехволнового смешения по своей природе близок к комбинационному рассеянию и также является широкополосным. В волоконно-оптических системах передачи степень влияния ЧВС на качественные характеристики связи сильно зависит от дисперсионных свойств волокна. Это влияние проявляется в виде дополнительных перекрестных помех, в ВОСП со спектральным уплотнением, а также в виде межсимвольных помех при высоких скоростях передачи. Этот вид помех может иметь место и в одноволновых ВОСП. Наибольшее паразитное влияние ЧВС оказывает в системах передачи, в которых оптиче­ский тракт основан на одномодовом волокне со смещенной нулевой дисперсией (Рек. МСЭ-Т G.653) DSF, практически не влияет при одномодовом стандартном волокне SMF (G.652). На рис. 6.16 показана степень влияния ЧВС в оптических волокнах G.653 (рис. 6.16а), и G.652 (рис. 6.166).

Анализ этих результатов показывает, что в случае волокна G.653 помехи от ЧВС практически неприемлемы, для волокна G.652 они практически отсутствуют. Выше было отмечено, что ЧВС — это широкополосный процесс. При нулевой дисперсии все составляющие спектра оптического излучения распространяются с одинаковой скоростью и в каждый момент времени присутствуют в любом сече­нии волокна в полном составе, создавая при этом максимальную плотность энер­гии и оптимальные условия для ЧВС В стандартном OB G.652 с наклоненной не­нулевой дисперсионной характеристикой высокочастотные составляющие по вре­мени запаздывают относительно низкочастотных, ухудшая этим условия для ЧВС.

Иначе говоря, эти составляющие достигают данного сечения волокна в разное время, поэтому отсутствуют условия комбинации частот и явление ЧВС не происходит.

Аналогичные явления происходят и в том случае, когда в волокно введены два оптических сигнала на разных длинах волн. Явление возникновения двух дополнительных оптических частот — это так называемое явление четырехволнового смешения (FWM), которое проявляется в виде перекрестных помех в системах с многоволновым уплотнением (WDM).