光纖的非線性光學效應及其對光纖通信的影響

光纖的非線性光學效應及其對光纖通信的影響隨著科學技術的發(fā)展，人們對物質(zhì)和文化生活的要求不斷提高，導致待傳輸?shù)男畔⒘浚ㄕZ音、圖像、視頻和數(shù)據(jù)等）爆炸式增長，光纖通信已成為大容量現(xiàn)代傳輸網(wǎng)的基本組成形式。近些年由于摻鉺光纖放大器（EDFA）的實用化，在信號的傳輸過程中，光纖的損耗對系統(tǒng)影響已不再是主要因素了，而光纖的非線性光學效應確引起人們的極大關注。特別是在密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)中，隨著光纖中信道數(shù)量的增多，進入光纖的光功率將隨之加大，光纖的非線性光學效應將成為影響系統(tǒng)性能的主要因素。本文介紹了光纖中常見的幾種非線性光學效應及其對光纖通信的影響。標簽：非線性光學效應受激散射效應非線性折射率效應交叉相位調(diào)制Abstract：Withthedevelopmentofscienceandtechnology，people’smaterialandculturallifeiseverincreasing，causetheamountofinformationtobetransmitted（voice，image，videoanddata，etc.）explosivegrowth，large-capacityopticalfibercommunicationhasbecomeabasicmoderncommunicationnetworkcompositionform.InrecentyearsbecauseofEDFApractical，intheprocessofsignaltransmissionfiberlossimpactonthesystemisnolongeramajorfactor，whilethenonlinearopticaleffectindeedcauseforconcern.EspeciallyinDWDMsystems，withtheincreaseinthenumberofchannelsinopticalfibers，Theopticalpowerintothefiberincreases，nonlinearopticaleffectwillbecomeamajorfactoraffectingsystemperformance.ThisarticledescribesseveralcommonopticalfibernonlineareffectsandtheirimpactontheopticalfibercommunicationKeywords：nonlinearopticaleffects；stimulatedscatteringeffects；nonlinearrefractiveindexeffects；cross-phasemodulation中圖分類號：TN24文獻標識碼：A文章編號：1003-9082（2014）03-0009-03非線性光學效應是光場與傳輸介質(zhì)相互作用時發(fā)生的一種物理效應，當光纖中傳輸?shù)墓夤β瘦^弱時，光纖呈現(xiàn)為線性系統(tǒng)，其各項特征參量隨光場作線性變化，但在高強度的電磁場中，任何電介質(zhì)（包括光纖）都會表現(xiàn)出非線性特性。一、光纖的非線性光學效應光纖的非線性光學效應程度不僅與光強有關，還和光信號與傳輸介質(zhì)之間相互作用的距離有關。自EDFA實用化之后，耦合到光纖中的光功率可達到+17dBm以上，雖然SiO2本身并不是強的非線性材料，但作為傳輸波導的光纖，特別是在低損耗的纖細單模光纖芯內(nèi)，可在較長的傳輸距離內(nèi)保持很高的光強度，從而使非線性光學效應的影響不可忽視。光纖的非線性光學效應在DWDM系統(tǒng)、相干光傳輸系統(tǒng)及模擬傳輸?shù)拇笮陀芯€電視（CATV）干線網(wǎng)中顯得更為突出。1.非線性極化光纖作為電介質(zhì)，與傳輸光相互作用時，光的電場強度矢量將使介質(zhì)中的原子或分子發(fā)生位移或振動，從而出現(xiàn)了電偶極子而形成極化現(xiàn)象。這些電偶極子將會輻射電磁波而感生出電場，極化所形成的感生電場與原來的外加電場疊加形成介質(zhì)中的總電場。光波在線性光學系統(tǒng)中傳播時，光的疊加性原理及光傳輸?shù)幕ゲ桓蓴_性成立，各個光頻分量各自獨立地產(chǎn)生自己的極化，總的極化強度矢量是各光頻分量的線性疊加，各光頻分量不存在相互作用，它們的頻率在傳輸過程中一般也不會改變，介質(zhì)的特性參數(shù)（如介電常數(shù)、吸收系數(shù)等）與外加光場的強度無關。但當場強達到107V/m時，非線性特性不得不考慮，這么高的場強，其光強可達到1000kW/cm2。非線性光學效應光纖中的非線性光學效應可分為兩類：一類為受激散射效應，在受激散射引起的非彈性過程中，電磁場和極化介質(zhì)之間存在能量交換，主要包括受激布里淵散射（SBS，StimulatedBrillouinScattering）和受激喇曼散射（SRS，StimulatedRamanScattering）；另一類為與克爾效應相關的非線性折射率效應，在非線性折射率引起的彈性過程中，電磁場和極化介質(zhì)之間沒有能量交換，主要包括自相位調(diào)制（SPM，SelfPhaseModulation）效應、交叉相位調(diào)制（XPM，CrossPhaseModulation）效應和四波混頻（FWM，F(xiàn)ourWaveMixing）效應。這些非線性效應使得多路WDM信道間產(chǎn)生串話干擾和附加功率損耗。從而限制光纖通信的傳輸容量，影響系統(tǒng)的設計參數(shù)。對于系統(tǒng)中的非線性光學效應，一方面要采取措施限制其不利因素，另一方面如果有效地利用這種效應，又可以開拓光纖通信的新領域，例如實現(xiàn)先進的光孤子通信技術，制作新的光學器件等[3]。2.受激散射及其對光纖通信的影響光波通過介質(zhì)時將發(fā)生散射，當使用相干光時，這種散射是一種受激過程。受激散射（SBS和SRS）是三階非線性極化項x（3）所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，這些非線性過程將使不同波長的信道增益或損耗與光信號的強度有關，當光強超過一定的數(shù)值后，對某些波長的信道提供增益而對另一些信道則產(chǎn)生功率損耗，從而對光通信系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響。2.1拉曼散射和布里淵散射拉曼散射和布里淵散射是由光纖物質(zhì)中原子或分子振動參與的光散射現(xiàn)象，是光波被介質(zhì)分子振動所調(diào)制的結(jié)果。在晶體中，分子在其平衡位置附近不停的振動，由于分子間的相互作用，每一個分子的振動要依次傳遞給其他分子，從而形成晶體中的“格波”。由量子力學理論可知，格波的能量是量子化的，對頻率為的格波，它的每份能量被稱為一個聲子（Phonon，晶格振動能量變化的最小單位）。入射光波被晶格振動散射的現(xiàn)象可理解為它和聲子之間相互碰撞的過程。在散射過程中，常常伴隨著聲子的被吸收或被發(fā)射，但在此過程中必須滿足能量守恒定律，從而使入射光產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換。通過薛定諤方程求出格波的解可分為兩支：即頻率較高的一支與晶體的光學性質(zhì)有關，稱為“光學支”；頻率較低的一支與宏觀彈性（聲波）波有密切關系，稱為“聲學支”。由光學支聲子參與的光散射被稱為拉曼散射，由聲學支聲子參與的光散射稱布里淵散射。這兩種散射都使入射光的能量降低，在光纖中形成一種損耗機制，特別是當入射光功率（主要是泵浦功率Pb）超過一定閾值Pth后，散射光強隨入射光功率成指數(shù)增加，如圖1所示。布里淵散射除了它所包含的是低頻聲學聲子外，基本原理與拉曼散射相似。由于聲學聲子頻率低，因此布里淵散射頻移小，SiO2中拉曼散射的線寬可達（10THz），而布里淵散射的線寬一般只有100MHz左右。另外，SRS是在單模光纖的后向發(fā)生，而SBS則是在前向發(fā)生。2.2受激布里淵散射對光通信的影響當光纖中傳輸?shù)墓夤β氏鄬^弱時，主要表現(xiàn)的是自發(fā)拉曼散射和布里淵散射（如圖1中所示），它們對光纖通信不產(chǎn)生明顯的影響。當傳輸強光束，入射光功率超過閾值Pth后，就可能誘發(fā)出受激拉曼散射和受激布里淵散射效應來。SBS是入射光波（主要是泵浦光）與介質(zhì)熱致聲波和散射波之間的一種相互作用過程，由于這種過程要滿足相位匹配的要求才能發(fā)生，所以光纖中SBS主要發(fā)生在后向散射。在使用窄譜線光源的強度調(diào)制系統(tǒng)中，當信道間距等于布里淵頻移時，一旦信號光功率超過受激布里淵散射的閾值Pth（SBS的Pth較低，對于1550nm的激光器，一般為7～8dBm），將有很強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，SBS效應能將能量從高頻信道轉(zhuǎn)移到低頻信道而影響系統(tǒng)性能。SBS對WDM系統(tǒng)的影響主要是引起系統(tǒng)通道間的串擾及信道能量的損失，布里淵頻移量在1550nm處約為10～11GHz。在目前的WDM系統(tǒng)中，如果信道間隔不小于0.8nm，既信道間隔不小于100GHz，不會產(chǎn)生明顯的信道串擾現(xiàn)象。但隨著WDM朝著密集方向的發(fā)展，當WDM系統(tǒng)的信道間隔（即波長間隔）與布里淵頻移量相等時，SBS將成為信道串擾的主要因素。另外，由于SBS會引起一部分信道功率轉(zhuǎn)移，造成信道能量的損失[4]。2.3受激拉曼散射對光通信的影響SRS是入射光與分子振動之間的一種特殊寬帶相互作用過程。入射泵浦光被散射后發(fā)生頻率下移，產(chǎn)生斯托克斯（Stocks）光，所改變的光頻正是分子的振動頻率。SRS雖然存在于前向和反向傳輸過程中，但主要是以前向散射為主，它對光纖通信的影響主要表現(xiàn)為：①由于SRS造成光纖中的損耗增加，頻率轉(zhuǎn)換，必須加以限制，這也限制了光纖中傳輸?shù)淖畲蠊夤β?；②SRS對DWDM系統(tǒng)的影響遠遠超過單波長光纖系統(tǒng)，由于當兩個或兩個以上不同頻率的光信號同時在一根光纖中傳輸時，短波長信道可認為是長波長信道的泵浦光，從而誘發(fā)強的受激拉曼散射，使較短波長信道上的光功率轉(zhuǎn)換到較長波長信道上去，造成復用信道之間的串擾。在WDM系統(tǒng)中，每個信道幾個mW的光功率，就能引起明顯的拉曼串擾。這種串擾有如下兩個特點：一是較短波長信道上的光功率向較長波長信道轉(zhuǎn)移，引起信道功率不平衡。圖2為1～8信道（從低頻到高頻）由于SRS效應影響的強度變化示意圖，從圖中可以看出，兩端的信道受到的影響最嚴重；二是在數(shù)字光纖系統(tǒng)中，當兩個信道都是“1”碼時誘發(fā)出的拉曼散射最厲害，串擾最明顯，如圖3所示。SRS的閾值比SBS高3個數(shù)量級，具有100nm（100GHz～200GHz）頻移間隔[5]。3.非線性折射率調(diào)制效應及其對光纖通信的影響光纖中的克爾（Kerr）效應是一種折射率的非線性效應，即光纖中激光強度的變化導致光纖折射率的變化。此頻移沿脈沖形成一定的分布，其前部頻率變低，后部頻率則升高，并由此產(chǎn)生脈沖的啁啾，影響光波系統(tǒng)性能。SPM效應在高傳輸功率或高比特率的系統(tǒng)中更為突出，它會增強色散的脈沖展寬效應，從而大大增加系統(tǒng)的功率代價。在單信道傳輸系統(tǒng)中，非線性效應產(chǎn)生的SPM一般不大，并且對于目前實際使用的強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）系統(tǒng)不起作用，只有在未來要求相位高度穩(wěn)定的相干光通信系統(tǒng)中才會有不可忽視的影響[6]。3.2交叉相位調(diào)制及其對光纖通信的影響在WDM系統(tǒng)中，隨著信道數(shù)N增加，XPM可能成為限制系統(tǒng)性能的主要因素之一。當多個光信號在光纖中同時傳輸時，某信道的相鄰信道光強變化時，將引起折射率非線性變化而導致該信道相位變化，從而展寬信號頻譜，光纖的色散進而將相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為強度調(diào)制，引起波形失真。在高速（B≥10Gb/s）WDM系統(tǒng)中，XPM將成為一個顯著的問題。增加信道間隔可以抑制XPM，通過適當選擇信道間距可使XPM的影響忽略不計。為了抑制XPM引起的串擾，采用普通單模光纖G.652的WDM系統(tǒng)最小信道間距。色散管理也可以抑制XPM的影響，實驗證明：對每中繼段分別進行色散補償是減少XPM影響的很好方案。另外，入纖光功率對系統(tǒng)的影響不是單調(diào)變化的，適當選擇入纖的光功率，也是提高系統(tǒng)性能的好辦法[7]。3.3四波混頻及其對光纖通信的影響四波混頻又稱四聲子混合，光纖在強光場的激發(fā)下出現(xiàn)非線性效應，正如電子學中非線性器件可以實現(xiàn)電信號頻譜變換一樣，在光波中，利用非線性效應也可實現(xiàn)光波的頻率變換，從而可實現(xiàn)光波的倍頻、和頻、差頻，光波的參量振蕩、光放大等多種參量效應。FWM是任意兩個或三個不同波長信道的光波相互作用，導致在其它波長上產(chǎn)生所謂混頻產(chǎn)物或邊帶的新光波。在DWDM系統(tǒng)中，當信道間距（10GHz以下）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擾的主要因素。FWM對DWDM系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在：一是產(chǎn)生新的波長信號，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；二是如果產(chǎn)生的新波長與原有某信號波長相同或交疊，從而產(chǎn)生嚴重的串擾。目前的DWDM系統(tǒng)的信道間隔一般在100GHz，零色散導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，而采用G.652或G.655光纖時，不易產(chǎn)生四波混頻效應[8]。四、結(jié)束語本文總結(jié)了近年來多信道系統(tǒng)下光纖傳輸中各種非線性效應及對光纖通信的影響，SBS、SRS