常規(guī)光纖系統(tǒng)中，光功率不大，光纖呈現(xiàn)線性傳輸特性，然而超高速系統(tǒng)中廣泛采用的光放大器提高了入纖功率，使光纖的非線性效應(yīng)顯著起來。
(1)光纖的非線性機(jī)理
線性或非線性指的是光在其中傳輸?shù)慕橘|(zhì)的性質(zhì)，而非光本身的性質(zhì)。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，任何介質(zhì)都呈現(xiàn)非線性，光纖也不例外。當(dāng)傳輸介質(zhì)受到光場(chǎng)的作用時(shí)，組成介質(zhì)的原子或分子內(nèi)的電子相對(duì)于原子核發(fā)生微小的位移或振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生極化。也就是說，光場(chǎng)的存在尤其是強(qiáng)光場(chǎng)的作用使得介質(zhì)的特性發(fā)生了變化。在光纖通信系統(tǒng)中，高輸出功率的激光器和超低損耗單模光纖的使用，使得光纖的非線性效應(yīng)越來越顯著。這是因?yàn)閱文９饫w中的光場(chǎng)主要約束于很細(xì)的纖芯內(nèi)，場(chǎng)強(qiáng)非常高，低損耗又使得高場(chǎng)強(qiáng)可以維持很長(zhǎng)的距離。
光纖中的非線性效應(yīng)，一方面可以引起傳輸信號(hào)的附加損耗，信道之間的串話，信號(hào)頻率的移動(dòng)等，這是其不利的一面;另一方面又可以利用其開發(fā)新型器件，如激光器、放大器、調(diào)制器等。新興的光孤子通信方式就是利用光纖的非線性效應(yīng)來克服色散的影響，使通信速率極大地提高，傳輸距離極大地延長(zhǎng)。
(2)主要的非線性效應(yīng)
光纖中典型的非線性效應(yīng)有自相位調(diào)制效應(yīng)(SPM)和交叉相位調(diào)制效應(yīng)(XPM)、受激拉曼散射(SRS)、受激布里淵散射(StkS)和四波混頻(FWM)等。下面主要介紹自相位調(diào)制效應(yīng)(SPM)、受激拉曼散射(SRS)和四波混頻(FWM)。
�、僮韵辔徽{(diào)制效應(yīng)(sPM)。
光脈沖在光纖中傳播時(shí)相位的改變分為線性部分和非線性部分，其中非線性部分與光場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，故自相位調(diào)制由于光場(chǎng)自身引起的相位變化，進(jìn)而導(dǎo)致光脈沖頻譜擴(kuò)展。從原理上說，自相位調(diào)制可用來實(shí)現(xiàn)調(diào)相，但實(shí)現(xiàn)調(diào)相需要很強(qiáng)的光強(qiáng)，且需選擇折射率大的材料。自相位調(diào)制效應(yīng)的真正應(yīng)用是在光纖中產(chǎn)生光孤子，實(shí)現(xiàn)光孤子通信，這是光纖非線性特性的重要應(yīng)用。
②受激拉曼散射(SRS)。
受激拉曼散射是由光纖物質(zhì)中原子振動(dòng)參與的光散射現(xiàn)象。在散射的過程中，常常伴隨著聲子被吸收或者被發(fā)射，根據(jù)能量守恒定律，入射光會(huì)發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換，即在此過程中光場(chǎng)把部分能螢轉(zhuǎn)移給非線性介質(zhì)。
受激拉曼散射對(duì)光纖通信的不利影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是造成光纖中損耗增加，頻率轉(zhuǎn)換，因此必須加以抑制，主要是限制光纖中傳輸?shù)淖畲蠊β?二是引起波分復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_。
目前對(duì)受激拉曼散射研究重點(diǎn)是利用這種效應(yīng)來為光纖通信服務(wù)，受激拉曼放大器(RA)就是這些研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。
③四波混頻(FWM)。
四波混頻是指兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在光纖的非線性影響下，除了原始的波長(zhǎng)信號(hào)外還會(huì)產(chǎn)生許多額外的混合成分(或叫邊帶)信號(hào)。
在波分復(fù)用系統(tǒng)中，特別是當(dāng)信道間隔很小時(shí)，會(huì)有相當(dāng)多的信道功率通過四波混頻過程被轉(zhuǎn)換到新的光場(chǎng)中去，這一轉(zhuǎn)換直接導(dǎo)致信道功率損耗，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生串話，引起信道干擾。
FWM的影響有賴于相互作用的信號(hào)之間的相位關(guān)系。如果相互作用的信號(hào)以同樣的群速度傳播(無色散時(shí)就是這種情況)，則FWM的影響加強(qiáng);另一方面，如果存在色散，不同的信號(hào)以不同的群速度傳播，因此不同光波之間交替地同相疊加和反相疊加，其凈效果是減小了混頻的效率。在有色散的系統(tǒng)中，信道問隔越大，群速度的差異就越大，所以在色散位移光纖中由于色散值很低，F(xiàn)WM效率要高得多。為了盡可能減少FWM的非線性效應(yīng)的影響，開發(fā)了大有效面積非零色散位移單模光纖(LEAF)。
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