通信工程师考试光纤的非线性效应

  1.2.1 光纤的非线性效应

  光源性能的提高、DWDM系统和光放大器的采用，使得光纤的入纤功率可能很髙。在光场较弱的情况下，光纤的各种特征参数随光场强弱变化很小，这时光纤对光场来讲是一种线性介质。但是，当光纤中的光功率提高后（如DWDM系统），光纤的各种特征参数随光场强度而显着变化，从而引起光纤的非线性效应。

  单模光纤的非线性效应分为受激散射效应和非线性折射率效应。受激散射效应包括受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS），非线性折射率效应包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）。

  1.受激散射

  （1）受激拉曼散射（SRS）。当一个强光信号输入光纤后，在光纤中会引发分子共振，产生拉曼非线性效应，此时这些分子振动调制光信号后产生了新的光频，除此之外还将放大新产生的光波。在室温下，大部分新产生光波的频率都处于光载波的低频区。对于二氧化硅玻璃，新峰值频率比光载频低13THZ,换言之，当信号波长为1.55叫11时，将在1.65网处产生新的波长。

  SRS只有在入射光强超过阈值后才能发生，且散射光具有激光辐射同样的特点，通过谐振放大可以构成拉曼激光器。

  在WDM系统中，SRS将导致WDM系统中短波长通路产生过大的信号衰减，从而限制了通路数。

  （2）受激布里渊散射（SBS）。当一个窄宽、高功率信号沿光纤传输时，将产生一个与输入光信号同向的声波，此声波波长为光波长的一举，且以声速传输。对于工作于1.55|im的 二氧化硅光纤，布里渊频偏约为11GHz,且决定于光纤中的声速，反射光带宽，还取决于声 波的损耗，它可在几十至几百兆赫兹的范围内变动。

  与SRS不同，SBS增益最大的方向与泵光传播方向相反，是一种背向散射。类似SRS, 利用SBS可构成光纤布里渊放大器。

  在WDM系统中，在所有非线性效应中，受激布里渊散射的门限最低，且与信道数目无关。由于受激布里渊散射的门限随着信号源的线宽增加而增加，一个简单可行的提高门限的办法是采用低频正弦小信号对激光器进行调制。

  2.非线性折射率效应

  非线性折射率效应也称为克尔效应，是由于光纤的折射率随着光强的变化而变化的非线性现象。非线性折射率效应可分为3大类：自相位调制（SPM），交叉相位调制（XPM） 以及四波混频（FWM）。

  （1）自相位调制。在纤芯中，非线性折射率将使导模的传播常数与光功率有关，产生非线性相移，这就是自相位调制（SPM）。SPM能够产生新的频率，同时展宽了光脉冲的频谱， 在WDM系统中如果这种调制现象较严重，展宽的光谱会搜盖到相邻的信道。

  另外，自相位调制能够与光纤的E色散相作用，从而暂时压缩传输的光脉冲信号。

  （2）交叉相位调制。在多波长系统中，非线性折射率效应会导致信号的相位受其他通路功率的调制，这种现象称为交叉相位调制（XPM）。交叉相位调制是与自相位调制产生方式相同的另一种非线性效应。然而自相位调制是光脉冲对自身相位的影响，交叉相位调制是用来描述光脉冲对其他信道信号光脉冲相位的影响，仅在多信道系统中才发生。

  （3）四波混频。当有3个不同波长的光波同时注入光纤，由于3者的相互作用，产生一个新的波长即第4个波，新波长的频率与入射波长的频率组合产生的新频率，这种现象称为四波混频（FWM）效应。

  四波混频效应能够将原来各个波长信号的光功率转移到新产生的波长上，从而对传输系 统性能造成破坏。在WDM系统中，混合产生的新波长会与其他信号佶道的波长完全一样，严重地破坏信号的眼图并产生误码。

  四波混频效应的效率与波长失配、波长间隔、注入光波长的强度、光纤的色散、光纤折 射率、光纤的长度等有关。通常，FWM效率取决于通路间隔和光纤色散。通路间隔越窄， 光纤色散越小，不同光波间相位匹配就越好，FWM效率也就越高，影响也越重。

  3.光孤子

  光孤子（Soliton）是一种光脉冲序列，在光纤长距离传输过程中能始终保持其波形和速 度不变。

  光孤子的产生是光纤色散与光纤非线性效应相互平衡的结果。当具有高强度的极窄单色 光脉冲入射到光纤中时，将产生非线性折射率效应，即介质的折射率将随着光强发生变化。 由此导致在光脉冲中产生自相位调制（SPM），即脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉 冲后沿产生的相位变化引起频率升髙，于是脉冲前沿比脉冲后沿传播得慢，从而使脉冲宽度 变窄；与此相反的是，光脉冲在光纤中传输时发生色散，使得脉宽展宽。当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用恰好抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，形成光孤子。

  基于光孤子的形成机理，可以用于光脉冲在光纤中的长距离无畸变传输，构成光孤子通信系统。

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