非線性效應(yīng)及舉例

1、非線性效應(yīng)及舉例開發(fā)二部唐明星非線性效應(yīng)及舉例 非線性效應(yīng)是指強光作用下由于介質(zhì)的非線性極化而產(chǎn)生的效應(yīng)，包括光學(xué)諧波，倍頻，受激啦曼散射，雙光子吸收，飽和吸收，自聚焦，自散焦等。光纖傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng)光纖傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng) n 在光通信系統(tǒng)中，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)。增加入纖光功率可以在增加傳輸距離的同時保持足夠大的OSNR。實踐表明這會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，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。n 光纖中的非線性效應(yīng)包括：散射效應(yīng)、散射效應(yīng)、源于克爾效應(yīng)的那些非源于克爾效

2、應(yīng)的那些非線性效應(yīng)線性效應(yīng)，包括自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混頻（FWM）等。SPM是某光信道激發(fā)的光纖非線性折射率對該信道本身產(chǎn)生的附加相位調(diào)制，XPM和FWM是某個信道受鄰近信道的非線性干擾。這些效應(yīng)是造成傳輸代價的主要原因。n 非線性效應(yīng)一般在WDM系統(tǒng)上和長跨距系統(tǒng)上反映較多，因需采用EDFA進行放大補償，在放大光功率的同時，也使光纖中的非線性效應(yīng)大大增加，成為影響系統(tǒng)性能，限制中繼距離的主要因數(shù)之一。 散射效應(yīng)n包括受激布里淵散射SBS 和受激拉曼散射SRS 等；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

3、動和振動。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，被其分子振動所調(diào)制的結(jié)果，而且SBS 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。受激布里淵散射受激布里淵散射SBSnSBS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（SBS的門限較低，對于1550nm 的激光器，一般為78dBm ），將有很強的前向傳輸信號光轉(zhuǎn)化為后向傳輸，表現(xiàn)為信號光功率抖動及光纖損耗顯著變大。 nSBS效應(yīng)

4、可以將信號光能量轉(zhuǎn)移給頻率下移且反向傳輸?shù)腟tokes光。SBS效應(yīng)不僅給系統(tǒng)帶來噪聲，而且造成信號的一種非線性損耗，限制入纖光功率的提高，并且降低了系統(tǒng)光信噪比，影響功率放大，嚴(yán)重限制傳輸系統(tǒng)性能提高。nSBS 對WDM系統(tǒng)的影響主要是引起系統(tǒng)通道間的串?dāng)_及信道能量的損失。布里淵頻移量在1550nm 處約為1011GHz ，信道間隔靠近1011GHz 時，SBS 將成為信道串?dāng)_的主要因數(shù)。受激拉曼散射受激拉曼散射SRSn受激拉曼散射SRS是光與硅原子振動模式間相互作用有關(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，同時長波長信號得到增強。 n在單信道和多信道系統(tǒng)中都可能發(fā)生受

5、激拉曼散射SRS 。僅有一個單信道且沒有線路放大器的系統(tǒng)中，信號功率大于1W時，功率會受到這種現(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 ，一般情況下不會發(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接近27dBm ，SRS 產(chǎn)生的機率會增加。 n因G.653 光纖的等效芯經(jīng)面

6、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。 克爾效應(yīng)的理論公式n各向同性的介質(zhì)如玻璃，石蠟，水，硝基苯等，在強電場作用。由于其分子受到電力的作用而發(fā)生取向(偏轉(zhuǎn))，呈現(xiàn)出各向異性的光學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)出雙折射現(xiàn)象，即沿兩個不同方向物質(zhì)對光的折射能力有所不同。折射率差值n與電場強度的平方成正比，這種與電場二次方成正比的電感應(yīng)雙折射現(xiàn)象稱為克爾效應(yīng)。n光學(xué)克爾效應(yīng)。當(dāng)所加的是光頻電場時，如果光足夠強 ,也會發(fā)生同樣的現(xiàn)象。此時n正比于作用在介質(zhì)中的激光束的光強,即n =K*|E*E|。自相位調(diào)制自相位調(diào)制SPMn即光纖中

7、激光強度的變化導(dǎo)致光纖折射率的變化，引起光信號自身的相位調(diào)整，這種效應(yīng)叫做自相位調(diào)制SPM 。n由于折射率對光強存在依賴關(guān)系，在光脈沖持續(xù)時間內(nèi)折射率發(fā)生變化，脈沖峰值的相位對于前、后沿來說均是延遲的，這種相移隨著傳輸距離的增加而積累起來，達到一定距離后顯示出相當(dāng)大的相位調(diào)制，從而使光譜展寬導(dǎo)致脈沖展寬，這就稱為自相位調(diào)制SPM。n光脈沖的頻譜展 vs 光譜展寬。n一般情況下，自相位調(diào)制SPM 效應(yīng)只在超長系統(tǒng)中表現(xiàn)比較明顯，同時在色散大的光纖中也表現(xiàn)比較明顯，所以，采用G.653、G.655光纖，且將信道設(shè)置在零色散區(qū)附近，有利于減小自相位調(diào)制效應(yīng)，對于使用G.652 光纖，且長度小于100

8、0km的系統(tǒng)，可以在適當(dāng)?shù)拈g隔進行色散補償?shù)姆椒▉砜刂谱韵辔徽{(diào)制SPM 效應(yīng)。 交叉相位調(diào)制交叉相位調(diào)制XPMn在多波長系統(tǒng)中，一個信道的相位變化不僅與本信道的光強有關(guān)，也與其它相鄰信道的光強有關(guān)；每一頻率成分的光束會通過光纖的非線性極化率，影響其它頻率光束的有效折射率而實現(xiàn)對后者的調(diào)制，這種相互調(diào)制的相位變化就是交叉相位調(diào)制XPM。 XPM通過GVD（Group Velocity Dispersion ）將信號的相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為強度調(diào)制，導(dǎo)致脈沖波形畸變；XPM 引起的頻譜展寬度與信道的間隔有關(guān)，越小，則產(chǎn)生的效應(yīng)就越大。XPM 引起的展寬會導(dǎo)致多信道系統(tǒng)中信道間的串?dāng)_。 n信道越密集、傳輸跨

9、段數(shù)越多，XPM效應(yīng)對DWDM系統(tǒng)的影響越大。四波混頻四波混頻 n 四波混頻FWM亦稱四聲子混合，是光纖介質(zhì)三階極化實部作用產(chǎn)生的一種光波間耦合效應(yīng)，是因不同波長的兩三個光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長上產(chǎn)生所謂混頻產(chǎn)物，或在邊帶上產(chǎn)生新的光波效應(yīng)，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)。 n 發(fā)生四波混頻的原因是入射光中的某一個波長上的光會使光纖的折射率發(fā)生改變，則在不同的頻率上產(chǎn)生了光波相位的變化，從而產(chǎn)生了新的波長的光波。 n在DWDM 系統(tǒng)中，當(dāng)信道間距與光纖色散足夠小且滿足相位匹配時，四波混頻將成為非線性串?dāng)_的主要因數(shù)。當(dāng)信道間隔達到10GHz

10、以下時，F(xiàn)WM 對系統(tǒng)的影響將最嚴(yán)重。n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)重的串?dāng)_。四波混頻FWM 的產(chǎn)生要求要求各信號光的相位匹配，當(dāng)各信號光在光纖的零色散附近傳輸時，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)。 n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，容易產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，而采用G.652 或G.655 光纖時，不易產(chǎn)生四

11、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，應(yīng)加色散補償，G.655 光纖在1550nm 窗口的色散很小，適合10GDWDM系統(tǒng)的傳輸。 非線性效應(yīng)的抑制nSPM 所帶來的頻譜展寬與許多因素有關(guān),如入信號的峰值功率、光纖長度、脈沖形狀和初始,脈沖形狀也受影響。在光纖的反常色散區(qū),這兩種現(xiàn)象共同用的結(jié)果導(dǎo)致光纖中孤子的形成;在光纖的正常散區(qū),SPM 和GVD 效應(yīng)的共同作用已光脈沖縮方在面得到了應(yīng)用。n一種抑制自相位調(diào)制(SPM)的方法，其特征是：在長距離級連傳輸過程中，采用不同的色散補償模塊，分散進行色散補償，調(diào)整光脈沖形狀，使其盡量接近入纖前的光

12、脈沖形狀。其通過合理管理系統(tǒng)色散分布，調(diào)整光脈沖的形狀，從而抑制SPM效應(yīng)的產(chǎn)生和影響，大大降低了它造成的頻譜展寬程度以及系統(tǒng)性能的惡化程度，降低了對傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)功率平坦度的要求，使傳輸距離充分拓展。 nFWM效應(yīng)導(dǎo)致的混頻產(chǎn)物落在信道內(nèi)，將會引起信道間串?dāng)_，導(dǎo)致信噪比降低，一般對中間信道的影響最大。當(dāng)混頻產(chǎn)物落在信道外時，也會給系統(tǒng)帶來噪聲。FWM效應(yīng)的產(chǎn)生須滿足相位匹配條件，因此在G.655光纖中比較明顯，常見抑制方法是降低入纖光功率、采用不等信道間隔等。nSBS效應(yīng)是一種窄帶效應(yīng)，在光纖中典型的增益帶寬約為50MHz，一般由光信號中的載波分量引起，可以采用載波抑制或展寬載波光譜將其抑制。

13、目前抑制SBS 的措施通常在激光器輸出端加一個低頻調(diào)制信號，提高SBS 的門限值。光迅公司的SBS抑制器采用射頻射頻信號調(diào)制相位調(diào)制器改變信號功率譜密度的方法，將2.5G系統(tǒng)的發(fā)射端功率限制由17dBm可提升至22dBm，10G系統(tǒng)的發(fā)射功率限制由12dBm可提升至17dBm，大大延長了長跨距傳輸?shù)目缍尉嚯x。 UFEC16里的LiNbO3 PHASE MODULATOR；n前置色散補償抑制光纖中SBS效應(yīng)：在入纖功率小于6dBm、信號速率為10Gbps、傳輸光纖為G.652的光傳輸系統(tǒng)、前置色散補償為-800ps/nm情況下,可以提高系統(tǒng)的SBS效應(yīng)閾值2dB左右。 n對于光纖非線性效應(yīng)，一般可通過降低入纖光功率，采用新型大孔徑光纖、喇曼放大、色散管理、奇偶信道偏振復(fù)用等方法加以抑制。采用特殊的碼型調(diào)制技術(shù)，也可有效提高光脈沖抵抗非線性效應(yīng)的能力，增加非線性