光纤非线性效应

本部分简介非线性效应

定义

在高强度电磁场中，任何电介质对光的效应都会变成非线性，光纤也不例外。

非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面作用，一方面可引起传输信号附加损耗、波分复用系统中信道之间的串话以及信号载波的移动等，另一方面又可以被利用来开发如放大器和调制器等新型器件。

光纤的非线性效应可以分为两类，受激散射效应和折射率扰动。

受激散射效应是指光场经过非弹性散射，将能量传递给介质产生的效应。

折射率扰动是指光强度引起光纤折射率变化而产生的效应。

受激散射效应是指光通过光纤介质时，与介质相互作用，产生频率下移的斯托克斯光与频率上移的反斯托克斯光的现象。

受激散射过程有一部分光能量偏移预定的传播方向，且光波的频率发生改变，光场能量与介质能量发生了交换，因此属于非弹性散射。

受激散射效应有两种形式，受激拉曼散射 SRS 和受激布里渊散射 SBS。

这两种散射都可以描述如下：

受激散射效应是一种阈值效应，在较低光功率下散射可忽略。当入射光功率超过一定阈值时，受激散射效应随着入射功率呈指数增加。一般阈值功率指在光纤输出端有一半功率被损失到斯托克斯光时的入射功率。受激拉曼散射和受激布里渊散射都使得入射光能量降低，在光纤中造成损耗。

受激拉曼散射可以某信道中的能量转移到相邻信道中，频移约为 13 THz 时增益最大，而且增益带宽很宽。

其阈值功率较高，高达数百毫瓦。由于光纤通信系统的注入功率一般低于十毫瓦，因此受激拉曼散射一般不会对系统性能产生影响。

另一方面，受激拉曼散射可使光纤成为宽带拉曼放大器和可调谐拉曼激光器。高功率二极管泵浦激光器的迅速发展，为拉曼放大器的实现奠定了坚实的基础。通过适当改变泵浦激光波长，拉曼放大器可以在任意波段进行宽带光放大。

受激布里渊散射与受激拉曼散射在物理过程上十分相似，但其物理本质不同。

受激布里渊散射的阈值相对较低。其增益带宽较窄，约 10 GHz。所以受激布里渊散射效应一般可以被约束在 WDM 系统的单个波长信道内。减少措施包含降低入纤功率和增加光源线宽。

受激布里渊散射可以用来构成布里渊放大器和激光器等光纤元件。它能通过将具有合适波长的泵浦光的能量传递给另一波长的光场，使得该光场得到放大，所以也能用于制造布里渊放大器。但由于受激布里渊散射增益谱宽窄，布里渊放大器的带宽也很窄。

总的来说，受激拉曼散射和受激布里渊散射都是泵浦光与介质声子的相互作用，都产生频率下移的斯托克斯光与频率上移的反斯托克斯光。

两种散射主要区别在于受激拉曼散射的声子为光频声子，光频声子源于分子内部振动引发的声波，而受激布里渊散射过程中的声子为声频声子，声频声子源与分子在介质中整体振动引发的声波。

光纤中的受激拉曼散射前向和后向都有，主要发生在前向，而受激布里渊散射只发生在后向。拉曼频移约为几十 THz，布里渊频移约为几个 GHz。受激布里渊散射的阈值功率比受激拉曼散射低得多。

在高功率下，石英光纤折射率随强度增加而增加。折射率可表示为：

\[ n' = n + \frac{n_2 P}{A_{\text{eff}}} \]

式中，\(n\) 为线性折射率；\(n_2\) 为非线性折射率系数；\(P\) 为入射光功率；\(A_{eff}\) 为光纤有效面积。

折射率扰动主要引起4种非线性效应：自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）和光弧子形成。

自相位调制 SPM 是指光在光纤内传输时，光信号相位受自身波长信号强度起伏的调制。

瞬时变化的相位意味着，在光脉冲中心频率两侧有不同瞬时光频率的变化，即自相位调制会引起光脉冲的频率啁啾。自相位调制引起的啁啾通过群速度色散影响脉冲形状，并经常导致附加的脉冲展宽。由自相位调制引起的脉冲频谱展宽增加了信号带宽，因此会影响光纤通信系统的性能。

通常，自相位调制仅针对具有较高色散或传输距离的很长的系统有显著影响。

交叉相位调制 XPM 是指在任意波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制。XPM 不仅与自身光波强度有关，而且与其他同时传输的光波的强度有关。因此 XPM 总是伴有自相位调制。和 SPM 一样，XPM 调制会使光脉冲频谱展宽。

其会引发光脉冲的频率啁啾，导致脉冲频谱展宽，再加上色散的影响，使得光脉冲在经过光纤传输后产生较大的时域展宽，并对相邻波长信道产生干扰。

减少的方法主要包含增加光纤有效面积、增大信道间隔、降低信号功率和相邻信道正交偏振等。

四波混频 FWM 是起源于折射率光致调制的参量过程，需要满足相位匹配条件。其分为两种情况：两种不同频率光子的泯灭产生了两个新频率的光子。另一种三个光子合成一个光子。

光纤色散越小，FWM所需要的相位匹配条件越易于满足，其效应越严重。减少影响的措施包含：增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、减少光功率和相邻信道正交偏振等。