光纤的非线性光学效应及其对光纤通信的影响

光纤的非线性光学效应及其对光纤通信的影响随着科学技术的发展，人们对物质和文化生活的要求不断提高，导致待传输的信息量（语音、图像、视频和数据等）爆炸式增长，光纤通信已成为大容量现代传输网的基本组成形式。近些年由于掺铒光纤放大器（EDFA）的实用化，在信号的传输过程中，光纤的损耗对系统影响已不再是主要因素了，而光纤的非线性光学效应确引起人们的极大关注。特别是在密集波分复用（DWDM）系统中，随着光纤中信道数量的增多，进入光纤的光功率将随之加大，光纤的非线性光学效应将成为影响系统性能的主要因素。本文介绍了光纤中常见的几种非线性光学效应及其对光纤通信的影响。标签：非线性光学效应受激散射效应非线性折射率效应交叉相位调制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中圖分类号：TN24文献标识码：A文章编号：1003-9082（2014）03-0009-03非线性光学效应是光场与传输介质相互作用时发生的一种物理效应，当光纤中传输的光功率较弱时，光纤呈现为线性系统，其各项特征参量随光场作线性变化，但在高强度的电磁场中，任何电介质（包括光纤）都会表现出非线性特性。一、光纤的非线性光学效应光纤的非线性光学效应程度不仅与光强有关，还和光信号与传输介质之间相互作用的距离有关。自EDFA实用化之后，耦合到光纤中的光功率可达到+17dBm以上，虽然SiO2本身并不是强的非线性材料，但作为传输波导的光纤，特别是在低损耗的纤细单模光纤芯内，可在较长的传输距离内保持很高的光强度，从而使非线性光学效应的影响不可忽视。光纤的非线性光学效应在DWDM系统、相干光传输系统及模拟传输的大型有线电视（CATV）干线网中显得更为突出。1.非线性极化光纤作为电介质，与传输光相互作用时，光的电场强度矢量将使介质中的原子或分子发生位移或振动，从而出现了电偶极子而形成极化现象。这些电偶极子将会辐射电磁波而感生出电场，极化所形成的感生电场与原来的外加电场叠加形成介质中的总电场。光波在线性光学系统中传播时，光的叠加性原理及光传输的互不干扰性成立，各个光频分量各自独立地产生自己的极化，总的极化强度矢量是各光频分量的线性叠加，各光频分量不存在相互作用，它们的频率在传输过程中一般也不会改变，介质的特性参数（如介电常数、吸收系数等）与外加光场的强度无关。但当场强达到107V/m时，非线性特性不得不考虑，这么高的场强，其光强可达到1000kW/cm2。非线性光学效应光纤中的非线性光学效应可分为两类：一类为受激散射效应，在受激散射引起的非弹性过程中，电磁场和极化介质之间存在能量交换，主要包括受激布里渊散射（SBS，StimulatedBrillouinScattering）和受激喇曼散射（SRS，StimulatedRamanScattering）；另一类为与克尔效应相关的非线性折射率效应，在非线性折射率引起的弹性过程中，电磁场和极化介质之间没有能量交换，主要包括自相位调制（SPM，SelfPhaseModulation）效应、交叉相位调制（XPM，CrossPhaseModulation）效应和四波混频（FWM，FourWaveMixing）效应。这些非线性效应使得多路WDM信道间产生串话干扰和附加功率损耗。从而限制光纤通信的传输容量，影响系统的设计参数。对于系统中的非线性光学效应，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这种效应，又可以开拓光纤通信的新领域，例如实现先进的光孤子通信技术，制作新的光学器件等[3]。2.受激散射及其对光纤通信的影响光波通过介质时将发生散射，当使用相干光时，这种散射是一种受激过程。受激散射（SBS和SRS）是三阶非线性极化项x（3）所表现出来的现象，这些非线性过程将使不同波长的信道增益或损耗与光信号的强度有关，当光强超过一定的数值后，对某些波长的信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而对光通信系统产生严重影响。2.1拉曼散射和布里渊散射拉曼散射和布里渊散射是由光纤物质中原子或分子振动参与的光散射现象，是光波被介质分子振动所调制的结果。在晶体中，分子在其平衡位置附近不停的振动，由于分子间的相互作用，每一个分子的振动要依次传递给其他分子，从而形成晶体中的“格波”。由量子力学理论可知，格波的能量是量子化的，对频率为的格波，它的每份能量被称为一个声子（Phonon，晶格振动能量变化的最小单位）。入射光波被晶格振动散射的现象可理解为它和声子之间相互碰撞的过程。在散射过程中，常常伴随着声子的被吸收或被发射，但在此过程中必须满足能量守恒定律，从而使入射光产生频率转换。通过薛定谔方程求出格波的解可分为两支：即频率较高的一支与晶体的光学性质有关，称为“光学支”；频率较低的一支与宏观弹性（声波）波有密切关系，称为“声学支”。由光学支声子参与的光散射被称为拉曼散射，由声学支声子参与的光散射称布里渊散射。这两种散射都使入射光的能量降低，在光纤中形成一种损耗机制，特别是当入射光功率（主要是泵浦功率Pb）超过一定阈值Pth后，散射光强随入射光功率成指数增加，如图1所示。布里渊散射除了它所包含的是低频声学声子外，基本原理与拉曼散射相似。由于声学声子频率低，因此布里渊散射频移小，SiO2中拉曼散射的线宽可达（10THz），而布里渊散射的线宽一般只有100MHz左右。另外，SRS是在单模光纤的后向发生，而SBS则是在前向发生。2.2受激布里渊散射对光通信的影响当光纤中传输的光功率相对较弱时，主要表现的是自发拉曼散射和布里渊散射（如图1中所示），它们对光纤通信不产生明显的影响。当传输强光束，入射光功率超过阈值Pth后，就可能诱发出受激拉曼散射和受激布里渊散射效应来。SBS是入射光波（主要是泵浦光）与介质热致声波和散射波之间的一种相互作用过程，由于这种过程要满足相位匹配的要求才能发生，所以光纤中SBS主要发生在后向散射。在使用窄谱线光源的强度调制系统中，当信道间距等于布里渊频移时，一旦信号光功率超过受激布里渊散射的阈值Pth（SBS的Pth较低，对于1550nm的激光器，一般为7～8dBm），将有很强的前向传输信号光转化为后向传输，随着前向传输功率的逐渐饱和，使后向散射功率急剧增加，SBS效应能将能量从高频信道转移到低频信道而影响系统性能。SBS对WDM系统的影响主要是引起系统通道间的串扰及信道能量的损失，布里渊频移量在1550nm处约为10～11GHz。在目前的WDM系统中，如果信道间隔不小于0.8nm，既信道间隔不小于100GHz，不会产生明显的信道串扰现象。但随着WDM朝着密集方向的发展，当WDM系统的信道间隔（即波长间隔）与布里渊频移量相等时，SBS将成为信道串扰的主要因素。另外，由于SBS会引起一部分信道功率转移，造成信道能量的损失[4]。2.3受激拉曼散射对光通信的影响SRS是入射光与分子振动之间的一种特殊宽带相互作用过程。入射泵浦光被散射后发生频率下移，产生斯托克斯（Stocks）光，所改变的光频正是分子的振动频率。SRS虽然存在于前向和反向传输过程中，但主要是以前向散射为主，它对光纤通信的影响主要表现为：①由于SRS造成光纤中的损耗增加，频率转换，必须加以限制，这也限制了光纤中传输的最大光功率；②SRS对DWDM系统的影响远远超过单波长光纤系统，由于当两个或两个以上不同频率的光信号同時在一根光纤中传输时，短波长信道可认为是长波长信道的泵浦光，从而诱发强的受激拉曼散射，使较短波长信道上的光功率转换到较长波长信道上去，造成复用信道之间的串扰。在WDM系统中，每个信道几个mW的光功率，就能引起明显的拉曼串扰。这种串扰有如下两个特点：一是较短波长信道上的光功率向较长波长信道转移，引起信道功率不平衡。图2为1～8信道（从低频到高频）由于SRS效应影响的强度变化示意图，从图中可以看出，两端的信道受到的影响最严重；二是在数字光纤系统中，当两个信道都是“1”码时诱发出的拉曼散射最厉害，串扰最明显，如图3所示。SRS的阈值比SBS高3个数量级，具有100nm（100GHz～200GHz）频移间隔[5]。3.非线性折射率调制效应及其对光纤通信的影响光纤中的克尔（Kerr）效应是一种折射率的非线性效应，即光纤中激光强度的变化导致光纤折射率的变化。此频移沿脉冲形成一定的分布，其前部频率变低，后部频率则升高，并由此产生脉冲的啁啾，影响光波系统性能。SPM效应在高传输功率或高比特率的系统中更为突出，它会增强色散的脉冲展宽效应，从而大大增加系统的功率代价。在单信道传输系统中，非线性效应产生的SPM一般不大，并且对于目前实际使用的强度调制/直接检测（IM/DD）系统不起作用，只有在未来要求相位高度稳定的相干光通信系统中才会有不可忽视的影响[6]。3.2交叉相位调制及其对光纤通信的影响在WDM系统中，随着信道数N增加，XPM可能成为限制系统性能的主要因素之一。当多个光信号在光纤中同时传输时，某信道的相邻信道光强变化时，将引起折射率非线性变化而导致该信道相位变化，从而展宽信号频谱，光纤的色散进而将相位调制转化为强度调制，引起波形失真。在高速（B≥10Gb/s）WDM系统中，XPM将成为一个显著的问题。增加信道间隔可以抑制XPM，通过适当选择信道间距可使XPM的影响忽略不计。为了抑制XPM引起的串扰，采用普通单模光纤G.652的WDM系统最小信道间距。色散管理也可以抑制XPM的影响，实验证明：对每中继段分别进行色散补偿是减少XPM影响的很好方案。另外，入纤光功率对系统的影响不是单调变化的，适当选择入纤的光功率，也是提高系统性能的好办法[7]。3.3四波混频及其对光纤通信的影响四波混频又称四声子混合，光纤在强光场的激发下出现非线性效应，正如电子学中非线性器件可以实现电信号频谱变换一样，在光波中，利用非线性效应也可实现光波的频率变换，从而可实现光波的倍频、和频、差频，光波的参量振荡、光放大等多种参量效应。FWM是任意两个或三个不同波长信道的光波相互作用，导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波。在DWDM系统中，当信道间距（10GHz以下）与光纤色散足够小且满足相位匹配时，四波混频将成为非线性串扰的主要因素。FWM对DWDM系统的影响主要表现在：一是产生新的波长信号，使原有信号的光能量受到损失，影响系统的信噪比等性能；二是如果产生的新波长与原有某信号波长相同或交叠，从而产生严重的串扰。目前的DWDM系统的信道间隔一般在100GHz，零色散导致四波混频成为主要原因，所以，采用G.653光纤传输DWDM系统时，容易产生四波混频效应，而采用G.652或G.655光纤时，不易产生四波混频效应[8]。四、结束语本文总结了近年来多信道系统下光纤传输中各种非线性效应及对光纤通信的影响，SBS、SRS