光纖的非線性效應(yīng)

1、通常在光場較弱的情況下，可以認為光纖的各種特征參量隨光場強弱作線 性變化，這時光纖對光場來講是一種線性媒質(zhì)。但是在很強的光場作用下，光 纖對光場就會呈現(xiàn)出另外一種情況，即光纖的各種特征參量會隨光場呈非線性 變化。 光纖的非線性效應(yīng)是指在強光場的作用下，光波信號和光纖介質(zhì)相互作用 的一種物理效應(yīng)。它主要包括兩類： 一類是由于散射作用而產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，如受激拉曼散射及布里淵散 射；另一類是由于光纖的折射指數(shù)隨光強度變化而引起的非線性效應(yīng)，如自相 位調(diào)制、交叉相位調(diào)制以及四波混頻等。 1.散射產(chǎn)生的非線性效應(yīng) 由于光纖材料的缺陷，有可能使得光通過介質(zhì)時發(fā)生散射。瑞利散射屬于 線性散射，即散射光的頻

2、率保持不變。但當輸入光功率很強時，任何介質(zhì)對光 的響應(yīng)都是非線性的，在此過程中，光場把部分能量轉(zhuǎn)移給非線性介質(zhì)，即在 這種非線性散射過程中，光波和介質(zhì)相互作用時要交換能量，使得光子能量減 少。 1）受激拉曼散射（ SRS） 當強光信號輸入光纖后，就會引發(fā)介質(zhì)中分子振動，這些分子振動對入射 光調(diào)制后就會產(chǎn)生新的光頻，從而對入射光產(chǎn)生散射作用，這種現(xiàn)象稱為受激 拉曼散射。 拉曼散射產(chǎn)生的散射光（斯托克斯波）強度與泵浦功率及光纖長度有關(guān)， 因此可制成分布式拉曼散射激光器。 2）受激 xx 散射（ SBS） 受激布里淵散射和受激拉曼散射的物理過程相似，都是在散射過程中通過 相互作用，光波與介質(zhì)發(fā)生能量

3、交換，但本質(zhì)上也存在差異。受激拉曼散射產(chǎn) 生的斯托克斯波屬于光頻范疇，其波的方向與泵浦光方向一致。而受激布里淵 散射所產(chǎn)生的斯托克斯波在聲頻范圍，波的方向與泵浦波方向相反，即在光纖 中只要達到受激布里淵散射的閾值，就會產(chǎn)生大量的向后傳輸?shù)乃雇锌怂共ǎ?這將使信號功率降低，反饋回的斯托克斯波也會使激光器的工作不穩(wěn)定，對系 統(tǒng)將產(chǎn)生不良影響。 但是，由于受激布里淵散射的閾值比受激拉曼散射的閾值低很多，可以利 用其低閾值功率提高布里淵放大。 2折射率變化產(chǎn)生的非線性效應(yīng) 折射率隨強度的變化引起的非線性效應(yīng)，最重要的是自相位調(diào)制、交叉相 位調(diào)制及四波混頻。1）自相位調(diào)制（SPM 在強光場作用下，光纖的

4、折射率出現(xiàn)非線性，這個非線性的折射率使得光 纖中所傳輸光脈沖的前后沿的相位相對漂移。這種相位的變化必導(dǎo)致所傳光脈 沖頻譜發(fā)生變化。由信號分析理論可知，頻譜的變化必然使得波形變化，從而 使傳輸脈沖在波形上被壓縮或者展寬。把光脈沖在傳輸過程中由于自身引起的 相位變化而導(dǎo)致光脈沖頻譜展寬的現(xiàn)象稱為自相位調(diào)制。 2）交叉相位調(diào)制（XPM） 當光纖中有兩個或兩個以上不同波長的光波同時傳輸時，由于非線性效應(yīng) 的存在，它們之間會相互作用。光纖中存在自相位調(diào)制，因此一個光波的幅度 調(diào)制將引起其他光波的相位調(diào)制。這種由光纖中某一波長的光強對同時傳輸?shù)?另一個不同波長的光強所引起的非線性相移，稱為交叉相位調(diào)制。由

5、此可見， 交叉相位調(diào)制與自相位調(diào)制總是相伴而生，而且光波的相位調(diào)制不僅與自身光 強有關(guān)，而且還決定于同時傳輸?shù)钠渌獠◤姸?。交叉相位調(diào)制，可由不同頻 率光波引起，也可由不同偏振方向的光波引起。 3）xx 混頻（FWM） 當多個頻率的光波以較大的功率在光纖中同時傳輸時，由于光纖中非線性 效應(yīng)的存在，光波之間會產(chǎn)生能量交換。設(shè)頻率分布為3 1, 3 2, 3 3的光波同 時在光纖中傳輸，三階電極化率將會引起頻率為 3 4=3 1 323 3的光波出 現(xiàn)，把這種現(xiàn)象稱為非線性介質(zhì)引發(fā)多個光波之間出現(xiàn)能量交換的一種響應(yīng)現(xiàn) 象。 四波混頻對系統(tǒng)的傳輸性能影響很大，特別是在 WDM 系統(tǒng)中，當信道間 隔非常小時，可能