1.2.1 光纖的非線性效應

  光源性能的提高、DWDM系統和光放大器的采用，使得光纖的入纖功率可能很髙。在光場較弱的情況下，光纖的各種特征參數隨光場強弱變化很小，這時光纖對光場來講是一種線性介質。但是，當光纖中的光功率提高后（如DWDM系統），光纖的各種特征參數隨光場強度而顯著變化，從而引起光纖的非線性效應。

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

  1.受激散射

  （1）受激拉曼散射（SRS）。當一個強光信號輸入光纖后，在光纖中會引發分子共振，產生拉曼非線性效應，此時這些分子振動調制光信號后產生了新的光頻，除此之外還將放大新產生的光波。在室溫下，大部分新產生光波的頻率都處于光載波的低頻區。對于二氧化硅玻璃，新峰值頻率比光載頻低13THZ,換言之，當信號波長為1.55叫11時，將在1.65網處產生新的波長。

  SRS只有在入射光強超過閾值后才能發生，且散射光具有激光輻射同樣的特點，通過諧振放大可以構成拉曼激光器。

  在WDM系統中，SRS將導致WDM系統中短波長通路產生過大的信號衰減，從而限制了通路數。

  （2）受激布里淵散射（SBS）。當一個窄寬、高功率信號沿光纖傳輸時，將產生一個與輸入光信號同向的聲波，此聲波波長為光波長的一舉，且以聲速傳輸。對于工作于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變動。

  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可構成光纖布里淵放大器。

  在WDM系統中，在所有非線性效應中，受激布里淵散射的門限最低，且與信道數目無關。由于受激布里淵散射的門限隨著信號源的線寬增加而增加，一個簡單可行的提高門限的辦法是采用低頻正弦小信號對激光器進行調制。

  2.非線性折射率效應

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

  （1）自相位調制。在纖芯中，非線性折射率將使導模的傳播常數與光功率有關，產生非線性相移，這就是自相位調制（SPM）。SPM能夠產生新的頻率，同時展寬了光脈沖的頻譜， 在WDM系統中如果這種調制現象較嚴重，展寬的光譜會搜蓋到相鄰的信道。

  另外，自相位調制能夠與光纖的E色散相作用，從而暫時壓縮傳輸的光脈沖信號。

  （2）交叉相位調制。在多波長系統中，非線性折射率效應會導致信號的相位受其他通路功率的調制，這種現象稱為交叉相位調制（XPM）。交叉相位調制是與自相位調制產生方式相同的另一種非線性效應。然而自相位調制是光脈沖對自身相位的影響，交叉相位調制是用來描述光脈沖對其他信道信號光脈沖相位的影響，僅在多信道系統中才發生。

  （3）四波混頻。當有3個不同波長的光波同時注入光纖，由于3者的相互作用，產生一個新的波長即第4個波，新波長的頻率與入射波長的頻率組合產生的新頻率，這種現象稱為四波混頻（FWM）效應。

  四波混頻效應能夠將原來各個波長信號的光功率轉移到新產生的波長上，從而對傳輸系 統性能造成破壞。在WDM系統中，混合產生的新波長會與其他信號佶道的波長完全一樣，嚴重地破壞信號的眼圖并產生誤碼。

  四波混頻效應的效率與波長失配、波長間隔、注入光波長的強度、光纖的色散、光纖折 射率、光纖的長度等有關。通常，FWM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，FWM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，在光纖長距離傳輸過程中能始終保持其波形和速 度不變。

  光孤子的產生是光纖色散與光纖非線性效應相互平衡的結果。當具有高強度的極窄單色 光脈沖入射到光纖中時，將產生非線性折射率效應，即介質的折射率將隨著光強發生變化。 由此導致在光脈沖中產生自相位調制（SPM），即脈沖前沿產生的相位變化引起頻率降低，脈 沖后沿產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發生色散，使得脈寬展寬。當脈沖具有適當的幅度時，以上兩種作用恰好抵消，則脈沖可以保持波形穩定不變地在光纖中傳輸，形成光孤子。

  基于光孤子的形成機理，可以用于光脈沖在光纖中的長距離無畸變傳輸，構成光孤子通信系統。

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