1.6.2. Вимушене комбінаційне (Раманське) розсіяння вкр (srs) і розсіяння Мандельштама-Бриллюена врмб (sbs)

Вимушене комбінаційне розсіяння ВКР, яке інакше називається розсіянням Рамана-Мандельштама, виникає у волокні тоді, коли потужність досягає певного відносно високого порога. Наближене значення порогової потужності визначається співвідношенням:

, (1.6.1)

де – площа поперечного перерізу в см², - коефіцієнт втрат у см^-1.

Розрахунок за цією формулою для одномодового волокна із затуханням дБ/км і діаметром 10 мкм дає значення порогової потужності 1.4 Вт (при довжині волокна 5 км). При збільшенні довжини волокна цей поріг швидко знижується. Для довжини того самого волокна 20 км порогова потужність знижується до 0.6 Вт. З точки зору фізики ВКР виникає при взаємодії фотонів, які проходять через середовище з молекулами та атомами даного середовища. При цьому можуть виникати ситуації, коли молекули поглинають частину енергії випромінювання, що проходить. У результаті, якщо фотон мав частоту , то після зіткнення з молекулою і передачі їй частини енергії енергія фотона зменшується на певну величину . Отже, після взаємодії випромінювання буде мати дві частоти і . Друга складова буде помітною тоді, коли енергія початкового випромінювання досягає рівня, вищого від порогового. Одним з важливих властивостей ВКР є великий частотний діапазон взаємодії випромінювання, що проходить через середовище з молекулами та атомами речовини. Для кварцу він сягає десятків терагерц. При аналізі ВКР було введено коефіцієнт комбінаційного підсилення , що залежить від складу речовини і може змінюватися за рахунок елементів, якими легується речовина. Для кварцового волокна він максимальний на частоті зміщення ТГц. Частота має назву стоксової компоненти. При збільшенні потужності або довжини взаємодії виникають друга, третя і т.д. стоксови компоненти ( , і т.д.). Крім цього, при перевищенні певного порогу потужності з’являються й високочастотні компоненти , , і т.д. та спектр зсувається в сторону більш коротких довжин хвиль (антістоксові компоненти).

Вимушене розсіяння Мандельштама-Бриллюена ВРМБ (SBS)

Зміна енергетичних квантових станів молекул і атомів при достатньо високому рівні потужності проявляється в тому, що виникають коливні рухи молекул, які приводять до флуктуацій густини речовини, так званих акустичних фононів. На цих фононах виникає нелінійне розсіяння світла (фотони віддають частину енергії акустичним фононам). Як наслідок у спектрі випромінювання з’являються нові компоненти, які за аналогією з ВКР називають стоксовими. На відміну від ВКР, ВРМБ виникає при значно нижчих потужностях і направлене в бік, протилежний розповсюдженню інформаційного сигналу. При тих самих значеннях і , що й для ВКР, порогова потужність ВРМБ на три порядки нижча і для волокна довжиною 5 км складає 1.44 мВт. У випадку коротких імпульсів ця потужність підіймається до 10 мВт. Додамо, що частотний зсув оптичної несучої при ВРМБ складає величину 10-15 ГГц при ширині спектра ~ 20 МГц. Проте, якщо у світловоді є в наявності неоднорідності у вигляді вигинів, стиску, розтягнення, то спектр ВРМБ може досягати 100-500 МГц. Цей факт використовується в діагностичній апаратурі для виявлення механічних впливів на оптичний кабель.

У системах ВОЛЗ ВРМБ проявляється в підвищенні затухання оптичного сигналу, виникненні відносно низькочастотної модуляції. Основний вплив ВРМБ полягає в тому, що розсіяне у напрямку джерела випромінювання впливає на лазер, створює паразитну модуляцію випромінювання, яка проявляється, насамперед, у вигляді шуму.