Введение

Смешивание четырёх волн (FWM) — это явление интермодуляции в нелинейной оптике, при котором взаимодействие между двумя или тремя длинами волн порождает две или одну новую длину волны. Оно аналогично точке перехвата третьего порядка в электрических системах. Смешивание четырёх волн можно сравнить с интермодуляционными искажениями в стандартных электрических системах. Это параметрический нелинейный процесс, поскольку энергия входящих фотонов сохраняется. FWM — фазочувствительный процесс, в котором эффективность процесса существенно зависит от условий обеспечения фазового согласования.

генерация суммарной и дифференциальной частоты

Две распространенные формы четырехволнового смешения называются генерацией суммарной частоты и генерацией разностной частоты. В генерации суммарной частоты на вход подаются три поля, а на выходе формируется новое высокочастотное поле, частота которого равна сумме частот трех входных полей. В генерации разностной частоты типичный выход соответствует разности между суммой двух частот и третьей частотой. Условием эффективного генерирования четырехволнового смешения является фазовое согласование: векторы k, соответствующие четырем компонентам, должны в сумме давать ноль, если они представляют собой плоские волны. Это приобретает важное значение, поскольку генерация суммарной и разностной частот часто усиливается при использовании резонанса в среде смешения. Во многих конфигурациях сумма энергий первых двух фотонов настраивается вблизи резонансного состояния. Достичь этого часто бывает сложно в конфигурации генерации суммарной частоты, но легче в конфигурации генерации разностной частоты (где фазовые сдвиги π взаимно компенсируются). В результате генерация разностной частоты обычно обладает большей широтой настройки и проще в реализации, чем генерация суммарной частоты, что делает ее предпочтительным источником света, несмотря на меньшую квантовую эффективность по сравнению с генерацией суммарной частоты. Особым случаем генерации суммарной частоты является ситуация, когда все входные фотоны имеют одинаковую частоту (и длину волны) – это генерация третьей гармоники (THG).

Дегенерация четырехволнового смешивания

Четырехволновая смесь также наблюдается при взаимодействии всего двух компонент. В этом случае член уравнения связывает три компоненты, что приводит к так называемому вырожденному четырехволновому смешению, обладающему идентичными свойствами с случаем взаимодействия трех волн.

Неблагоприятные последствия FWM в волоконно-оптической связи

FWM – это характеристика оптического волокна, влияющая на системы мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), в которых несколько оптических длин волн располагаются на равных интервалах или с определенным шагом между каналами. Эффекты FWM становятся более выраженными при уменьшении шага между каналами (например, в плотных системах WDM) и при высоких уровнях мощности сигнала. Высокая хроматическая дисперсия снижает эффекты FWM, поскольку сигналы теряют когерентность, то есть увеличивается фазовый рассогласование между сигналами. Интерференция, вызываемая FWM в системах WDM, известна как перекрестные помехи между каналами. Уменьшить влияние FWM можно, используя неравномерный шаг между каналами или волокно с повышенной дисперсией. В особом случае, когда три частоты близки к вырождению, оптическое разделение разностной частоты может оказаться технически сложной задачей.

Приложения

FWM находит применение в оптической фазовой конъюгации, параметрическом усилении, генерации сверхширокого спектра, генерации вакуумного ультрафиолетового излучения и в генерации частотного гребня на основе микрорезонаторов. Параметрические усилители и генераторы, основанные на четырехволновом смешивании, используют нелинейность третьего порядка, в отличие от большинства типичных параметрических генераторов, использующих нелинейность второго порядка. Помимо этих классических областей применения, четырехволновое смешивание продемонстрировало перспективность в квантовой оптике для генерации одиночных фотонов, коррелированных пар фотонов, сжатого света и запутанных фотонов.