光纖非線性效應(yīng)及對光纖通信的影響

1、光線非線性效應(yīng)及其對光纖通信系統(tǒng)的影響摘 要：隨著科技的飛速發(fā)展、信息時(shí)代的到來，信息的傳輸變得越來越重要。光纖作為眾多傳輸介質(zhì)中的一種有著其它介質(zhì)不可替代的優(yōu)越性。它傳輸容量大、傳輸帶寬寬、抗干擾能力強(qiáng)。然而，由于光纖中的損耗和色散的限制，使得光纖通信的發(fā)展受到了 制約。如 果要獲得更長的傳輸距離，則要加大入纖光功率，這樣就引起了光纖非線性效應(yīng)的產(chǎn)生。本文詳細(xì)地討論了幾種重要的光纖非線性效應(yīng)，如受激布里淵散射(SBS)、受激喇曼散射(SRS)、自相位調(diào)制(SPM)、交叉相 位調(diào)制(XPM )、 克爾效應(yīng)(Kerr)、超短脈沖孤立子(S oliton )等現(xiàn)象。并對其在光纖通信中的應(yīng)用進(jìn)行了展

2、望關(guān)鍵字：光纖非線性效應(yīng)、散射、閾值、光功率光纖的非線性效應(yīng)盡管用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于纖芯小，纖芯內(nèi)場強(qiáng)非常高，且 作用距離長，使得光纖中的非線性效應(yīng)會(huì)積累到足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致對信號的嚴(yán)重十?dāng)_和對系統(tǒng)傳輸性能的限制。光纖傳輸?shù)乃ズ暮蜕⑴c光纖長度呈線性變化的，呈線性效應(yīng)，而帶寬系數(shù)與光纖長度呈非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)一般在WDM系統(tǒng)上反映較多，在SDH系統(tǒng)反映 較少，因?yàn)樵赪DM 設(shè)備系統(tǒng)中，由于和波器、分波器的插入損耗較大，對 16波 系統(tǒng)一般相加在10dB左右，對32波系統(tǒng)，相加在15dB左右，因此需采用EDF A進(jìn)行放大補(bǔ)償，在放大光功率的同時(shí)，也使光纖中的非線性效應(yīng)大大增加

3、，成為影 響系統(tǒng)性能，限制中繼距離的主要因數(shù)之一，同時(shí),也增加了ASE等噪聲。光纖中的非線性效應(yīng)包括：散射效應(yīng)（受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS等）、與克爾效應(yīng)相關(guān)的影響，即與折射率密切相關(guān)（自相位調(diào)制 SPM、交 義相位調(diào)制XPM、四波混頻效應(yīng)FWM ）,其中四波混頻、交義相位調(diào)制對系統(tǒng) 影響嚴(yán)重。折射率非線性變化SBS、SRS及FWM過程所引起的波長信道的增益或損耗與光信號的強(qiáng)度有關(guān)。這些非線性過程對某些信道提供增益而對另一些信道則產(chǎn)生功率損耗，從而使各個(gè)波長問產(chǎn)生申擾。從本質(zhì)上說，任何物質(zhì)都是由分子、原子等基本組成單元組成。在常溫下，這些 基本組成單元在不斷地作自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)。

4、光纖中的受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS都是激光光波通過光纖介質(zhì)時(shí)，被其分子振動(dòng)所調(diào)制的結(jié)果，而且SB S和SRS都具有增益特性，在一定條件下，這種增益可沿光纖積累。SBS與SRS的區(qū)別在于，SBS激發(fā)的是聲頻支聲子，SRS激發(fā)的是光頻支聲子。受激布里淵散 射SBS產(chǎn)生原理：SBS是光纖中泵浦光與聲子間相互作用的結(jié)果，在使用窄譜線寬 度光源的強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)中，一旦信號光功率超過受激布里淵散射SBS的門限時(shí)（SBS的門限較低，對于1550nm 的激光器，一般為78dBm ）,將有很強(qiáng)的前向傳 輸信號光轉(zhuǎn)化為后向傳輸，隨著前向傳輸功率的逐漸飽和，使后向散射功率急劇增加。在WDM+EDFA 的

5、系統(tǒng)中，注入到光纖中的功率大于 SBS的門限值，會(huì)產(chǎn)生S BS散射。SBS對WDM系統(tǒng)的影響主要是引起系統(tǒng)通道間的申擾及信道能量的損 失。布里淵頻移量在1550nm 處約為1011GHz ，當(dāng)WDM系統(tǒng)的信道間隔（即 波長間隔）與布里淵頻移量相等時(shí)，就會(huì)引起信道間的申擾，但目前的 WDM系統(tǒng)，在32波（包括32波）以下時(shí)，其信道間隔不小于0.8nm ，既信道間隔不小于100 GHz，可以避免由于SBS產(chǎn)生的信道申擾，但隨著 WDM朝密集方向的發(fā)展，信 道間隔越來越小，但信道間隔靠近1011GHz時(shí)，SBS將成為信道申擾的主要因數(shù)。 此外，由于SBS會(huì)引起一部分信道功率轉(zhuǎn)移到噪聲上，影響功率放大

6、。目前抑制 SBS的措施通常在激光器輸出端加一個(gè)低頻調(diào)制信號，提高 SBS的門限值。受激拉曼散射SRS產(chǎn)生原理：受激拉曼散射SRS是光與硅原子振動(dòng)模式問相互 作用有關(guān)的寬帶效應(yīng)，在任何情況下，短波長的信號總是被這種過程所衰減，同時(shí)長 波長信號得到增強(qiáng)。在單信道和多信道系統(tǒng)中都可能發(fā)生受激拉曼散射SRS。僅有一個(gè)單信道且沒有線路放大器的系統(tǒng)中，信號功率大于1W時(shí)，功率會(huì)受到這種現(xiàn)象的損傷，在較寬 信道間隔的多信道系統(tǒng)中,較短波長信號通道由于受激拉曼散射 SRS,使得一部分光 功率轉(zhuǎn)移到較長波長的信號信道中，從而可能引起信噪比性能的劣化。由于受激拉曼 散射SRS激發(fā)的是光頻支聲子，其產(chǎn)生的拉曼頻移

7、量比布里淵頻移量大得多，一般 在100GHz200GHz ，且門限值較大，在 1550nm 處約為27dBm , 一股情況下 不會(huì)發(fā)生。但對于 WDM 系統(tǒng)，隨著傳輸距離的增長和復(fù)用的波數(shù)的增加，EDFA放大輸出的光信號功率會(huì)接近27dBm , SRS產(chǎn)生的機(jī)率會(huì)增加。因G.653光纖的等效芯經(jīng)面積小于G.652光纖，受激拉曼散射SRS門限值要 低于采用G.652光纖的系統(tǒng)，在G.653光纖上產(chǎn)生SRS的概率要大。白相位調(diào)制（SPM）自相位調(diào)制（SPM）的產(chǎn)生是由于本信道光功率引起的折射率非線性變化，這一非線性折射率引起與脈沖強(qiáng)度成正比的感生相移，因此脈沖的不同部分有不同的相 移，并由此產(chǎn)生脈

8、沖的喟啾SPM效應(yīng)在高傳輸功率或高比特率的系統(tǒng)中更為突出SPM會(huì)增強(qiáng)色散的脈沖展寬效應(yīng)。從而大大增加系統(tǒng)的功率代價(jià)。交叉相位調(diào)制（XPM）交義相位調(diào)制（XPM ）的產(chǎn)生是由于外信道光功率引起的折射率非線性變化，導(dǎo)致相位變化相位正比其中第一項(xiàng)來源于 SPM，第二項(xiàng)即交義相位調(diào)制（XPM）。若E1=E2 則XPM 的效果將是SPM的兩倍。因此 XPM將加劇 WDM 系統(tǒng)中SPM 的喟啾及相應(yīng)的脈沖展寬效應(yīng)。增加信道間隔可以抑制XPMDSF高速（ 10Gb/s）WDM 系統(tǒng)中，XPM將成為一個(gè)顯著的問題。四波混頻（FWM）四波混頻FWM亦稱四聲子混合，是光纖介質(zhì)三階極化實(shí)部作用產(chǎn)生的一種光波 間耦合

9、效應(yīng)，是因不同波長的兩三個(gè)光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長上產(chǎn)生所謂混頻 產(chǎn)物，或邊帶的新光波，這種互作用可能發(fā)生于多信道系統(tǒng)的信號之間，可以產(chǎn)生三 倍頻、和頻、差頻等多種參量效應(yīng)。在DWDM 系統(tǒng)中，當(dāng)信道問距與光纖色散足夠小且滿足相位匹配時(shí)，四波混 頻將成為非線性申擾的主要因數(shù)。當(dāng)信道間隔達(dá)到 10GHz以下時(shí)，F(xiàn)WM對系統(tǒng)的 影響將最嚴(yán)重。四波混頻FWM對DWDM系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在：（1）產(chǎn)生新的波長，使原有 信號的光能量受到損失，影響系統(tǒng)的信噪比等性能； （2）如果產(chǎn)生的新波長與原有某 波長相同或交疊，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的申擾。四波混頻 FWM的產(chǎn)生要求要求各信號光 的相位匹配，當(dāng)各信號光在光

10、纖的零色散附近傳輸時(shí)， 材料色散對相位失配的影響很 小，因而較容易滿足相位匹配條件，容易產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)。目前的DWDM系統(tǒng)的信道間隔一般在100GHz ,零色散導(dǎo)致四波混頻成為主 要原因，所以，采用G.653光纖傳輸DWDM 系統(tǒng)時(shí)，容易產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，而 采用G.652或G.655光纖時(shí)，不易產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)。但G.652光纖在1550nm 窗 口存口存在一定的色散，傳輸10G信號時(shí)，應(yīng)加色散補(bǔ)償，G.655光纖在1550nm 窗口的色散很小，適合10GDWDM 系統(tǒng)的傳輸。降低FWM的措施仔細(xì)選擇各信道的位置，使得那些拍頻項(xiàng)不與信道帶寬范圍重疊。適用于較少信 道數(shù)的WDM系統(tǒng)，必須仔細(xì)

11、計(jì)算信道的確切位置。增加信道間隔，增加信道之間的群速度不匹配。缺點(diǎn)是增加了總的系統(tǒng)帶寬，從而要 求放大器在較寬的帶寬范圍內(nèi)有平坦的增益譜，另外還增加了 SRS引起的代價(jià)。 增加光纖的有效截面，降低光纖中光功率密度。對于DSF使用大于1560nm的波長。這種方法的思路是：即使對于 DSF,這一范圍 內(nèi)也存在顯著的色散量，從而可以減小 FWM的效率。這依賴于L-band的EDFA。 針對不同的波長信道引入延時(shí)，從而擾亂不同波長信道的相位關(guān)系。受激布里淵散射（SBS）受激布里淵散射（SBS）是由于光子受到聲學(xué)聲子的散射所產(chǎn)生的，形成斯托克斯 波與反斯托克斯波。SBS產(chǎn)生頻移，只發(fā)生在很窄的線寬內(nèi)，在

12、 1.55mm 處，WB=11.1GHZ。SBS在朝向光源的方向上產(chǎn)生增益，會(huì)引起光源不穩(wěn)定。SBS閾值功率低（單波長信道：9dBm）.增加光源線寬能夠提高SBS閾值功率（100MHz 光源:16 dBm ）SBS的增益系數(shù)gB約為4 X10-I1m/W ,且與波長無關(guān)。降低SBS的措施：1、使單信道功率保持在SBS閾值以下。2、增加光源的線寬，大于100MHz (0.1nm)。3、采用相位調(diào)制。受激喇曼散射(SRS)SRS是光子受到振動(dòng)分子散射所產(chǎn)生的。SRS同時(shí)存在于在光傳輸方向或者與之 相反的方向。閾值比SBS高3個(gè)數(shù)量級，具有100nm頻移間隔。SRS引起DWDM不同信道之間發(fā)生耦合，

13、導(dǎo)致申擾。長波長信號被短波長信號放大，引起信道功率不平衡僅當(dāng)兩個(gè)波長信號都處于高電平狀態(tài)才會(huì)發(fā)生 SRS。色散可以減小SRS。因?yàn)檫@時(shí)不同信道的信號以不同的速度傳播，從而減小了不同波長的脈沖在光纖中任一點(diǎn)處都重合的概率。波長間隔大容易產(chǎn)生SRS。結(jié)束語在光通信系統(tǒng)中,增加入纖光功率可以在增加傳輸距離的同時(shí)保持足夠大的OSNR。實(shí)踐表明這會(huì)造成各種各樣的非線性問題。通常情況下，玻璃材料中的非線 性效應(yīng)非常微弱。但是當(dāng)光信號在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖的芯徑非常小，致使光纖 中光信號的功率密度很高。此外，傳輸光纖中的相互作用長度很長(對于LH為幾白公里，對于ULH為幾千公里)，非線性效應(yīng)的累積變得非常明顯。在所有非線性效 應(yīng)中，源于克爾效應(yīng)的那些非線性效應(yīng)，包括自相位調(diào)制( SPM)、交義相位調(diào)制(XPM )和四波混頻(FWM )等最容易造成問題。SPM是某光信道激發(fā)的光纖非線 的非線性十?dāng)_。這些效應(yīng)是造成傳輸代價(jià)的主要原因（前面的討論中暫時(shí)忽略了傳輸 代價(jià)）。事實(shí)上，這些非線性效應(yīng)（特別是 SPM） 一直是過去幾十年長距離傳輸研 究的重點(diǎn).性折射率對該信道本身產(chǎn)生的附加相位調(diào)制,XPM和FWM是某個(gè)信道受鄰近信道參考資料：1光纖傳輸模型的數(shù)值計(jì)算研究李均，黃德修，張新亮.光電子技術(shù)與信息，2003 , 162 非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用 Govind P.