通信工程師考試光纖的非線性效應(yīng)

  1.2.1 光纖的非線性效應(yīng)

  光源性能的提高、DWDM系統(tǒng)和光放大器的采用，使得光纖的入纖功率可能很髙。在光場(chǎng)較弱的情況下，光纖的各種特征參數(shù)隨光場(chǎng)強(qiáng)弱變化很小，這時(shí)光纖對(duì)光場(chǎng)來(lái)講是一種線性介質(zhì)。但是，當(dāng)光纖中的光功率提高后（如DWDM系統(tǒng)），光纖的各種特征參數(shù)隨光場(chǎng)強(qiáng)度而顯著變化，從而引起光纖的非線性效應(yīng)。

  單模光纖的非線性效應(yīng)分為受激散射效應(yīng)和非線性折射率效應(yīng)。受激散射效應(yīng)包括受激拉曼散射（SRS）和受激布里淵散射（SBS），非線性折射率效應(yīng)包括自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混頻（FWM）。

  1.受激散射

  （1）受激拉曼散射（SRS）。當(dāng)一個(gè)強(qiáng)光信號(hào)輸入光纖后，在光纖中會(huì)引發(fā)分子共振，產(chǎn)生拉曼非線性效應(yīng)，此時(shí)這些分子振動(dòng)調(diào)制光信號(hào)后產(chǎn)生了新的光頻，除此之外還將放大新產(chǎn)生的光波。在室溫下，大部分新產(chǎn)生光波的頻率都處于光載波的低頻區(qū)。對(duì)于二氧化硅玻璃，新峰值頻率比光載頻低13THZ,換言之，當(dāng)信號(hào)波長(zhǎng)為1.55叫11時(shí)，將在1.65網(wǎng)處產(chǎn)生新的波長(zhǎng)。

  SRS只有在入射光強(qiáng)超過(guò)閾值后才能發(fā)生，且散射光具有激光輻射同樣的特點(diǎn)，通過(guò)諧振放大可以構(gòu)成拉曼激光器。

  在WDM系統(tǒng)中，SRS將導(dǎo)致WDM系統(tǒng)中短波長(zhǎng)通路產(chǎn)生過(guò)大的信號(hào)衰減，從而限制了通路數(shù)。

  （2）受激布里淵散射（SBS）。當(dāng)一個(gè)窄寬、高功率信號(hào)沿光纖傳輸時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與輸入光信號(hào)同向的聲波，此聲波波長(zhǎng)為光波長(zhǎng)的一舉，且以聲速傳輸。對(duì)于工作于1.55|im的 二氧化硅光纖，布里淵頻偏約為11GHz,且決定于光纖中的聲速，反射光帶寬，還取決于聲 波的損耗，它可在幾十至幾百兆赫茲的范圍內(nèi)變動(dòng)。

  與SRS不同，SBS增益最大的方向與泵光傳播方向相反，是一種背向散射。類似SRS, 利用SBS可構(gòu)成光纖布里淵放大器。

  在WDM系統(tǒng)中，在所有非線性效應(yīng)中，受激布里淵散射的門限最低，且與信道數(shù)目無(wú)關(guān)。由于受激布里淵散射的門限隨著信號(hào)源的線寬增加而增加，一個(gè)簡(jiǎn)單可行的提高門限的辦法是采用低頻正弦小信號(hào)對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制。

  2.非線性折射率效應(yīng)

  非線性折射率效應(yīng)也稱為克爾效應(yīng)，是由于光纖的折射率隨著光強(qiáng)的變化而變化的非線性現(xiàn)象。非線性折射率效應(yīng)可分為3大類：自相位調(diào)制（SPM），交叉相位調(diào)制（XPM） 以及四波混頻（FWM）。

  （1）自相位調(diào)制。在纖芯中，非線性折射率將使導(dǎo)模的傳播常數(shù)與光功率有關(guān)，產(chǎn)生非線性相移，這就是自相位調(diào)制（SPM）。SPM能夠產(chǎn)生新的頻率，同時(shí)展寬了光脈沖的頻譜， 在WDM系統(tǒng)中如果這種調(diào)制現(xiàn)象較嚴(yán)重，展寬的光譜會(huì)搜蓋到相鄰的信道。

  另外，自相位調(diào)制能夠與光纖的E色散相作用，從而暫時(shí)壓縮傳輸?shù)墓饷}沖信號(hào)。

  （2）交叉相位調(diào)制。在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中，非線性折射率效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的相位受其他通路功率的調(diào)制，這種現(xiàn)象稱為交叉相位調(diào)制（XPM）。交叉相位調(diào)制是與自相位調(diào)制產(chǎn)生方式相同的另一種非線性效應(yīng)。然而自相位調(diào)制是光脈沖對(duì)自身相位的影響，交叉相位調(diào)制是用來(lái)描述光脈沖對(duì)其他信道信號(hào)光脈沖相位的影響，僅在多信道系統(tǒng)中才發(fā)生。

  （3）四波混頻。當(dāng)有3個(gè)不同波長(zhǎng)的光波同時(shí)注入光纖，由于3者的相互作用，產(chǎn)生一個(gè)新的波長(zhǎng)即第4個(gè)波，新波長(zhǎng)的頻率與入射波長(zhǎng)的頻率組合產(chǎn)生的新頻率，這種現(xiàn)象稱為四波混頻（FWM）效應(yīng)。

  四波混頻效應(yīng)能夠?qū)⒃瓉?lái)各個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的光功率轉(zhuǎn)移到新產(chǎn)生的波長(zhǎng)上，從而對(duì)傳輸系 統(tǒng)性能造成破壞。在WDM系統(tǒng)中，混合產(chǎn)生的新波長(zhǎng)會(huì)與其他信號(hào)佶道的波長(zhǎng)完全一樣，嚴(yán)重地破壞信號(hào)的眼圖并產(chǎn)生誤碼。

  四波混頻效應(yīng)的效率與波長(zhǎng)失配、波長(zhǎng)間隔、注入光波長(zhǎng)的強(qiáng)度、光纖的色散、光纖折 射率、光纖的長(zhǎng)度等有關(guān)。通常，F(xiàn)WM效率取決于通路間隔和光纖色散。通路間隔越窄， 光纖色散越小，不同光波間相位匹配就越好，F(xiàn)WM效率也就越高，影響也越重。

  3.光孤子

  光孤子（Soliton）是一種光脈沖序列，在光纖長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中能始終保持其波形和速 度不變。

  光孤子的產(chǎn)生是光纖色散與光纖非線性效應(yīng)相互平衡的結(jié)果。當(dāng)具有高強(qiáng)度的極窄單色 光脈沖入射到光纖中時(shí)，將產(chǎn)生非線性折射率效應(yīng)，即介質(zhì)的折射率將隨著光強(qiáng)發(fā)生變化。 由此導(dǎo)致在光脈沖中產(chǎn)生自相位調(diào)制（SPM），即脈沖前沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率降低，脈 沖后沿產(chǎn)生的相位變化引起頻率升髙，于是脈沖前沿比脈沖后沿傳播得慢，從而使脈沖寬度 變窄；與此相反的是，光脈沖在光纖中傳輸時(shí)發(fā)生色散，使得脈寬展寬。當(dāng)脈沖具有適當(dāng)?shù)姆葧r(shí)，以上兩種作用恰好抵消，則脈沖可以保持波形穩(wěn)定不變地在光纖中傳輸，形成光孤子。

  基于光孤子的形成機(jī)理，可以用于光脈沖在光纖中的長(zhǎng)距離無(wú)畸變傳輸，構(gòu)成光孤子通信系統(tǒng)。

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