光纤非线性效应及对光纤通信的影响

光线非线性效应及其对光纤通信系统的影响摘要：随着科技的飞速发展、信息时代的到来，信息的传输变得越来越重要。

光纤作为众多传输介质中的一种有着其它介质不可替代的优越性。

它传输容量大、传输带宽宽、抗干扰能力强。

然而，由于光纤中的损耗和色散的限制，使得光纤通信的发展受到了制约。

如果要获得更长的传输距离，则要加大入纤光功率，这样就引起了光纤非线性效应的产生。

本文详细地讨论了几种重要的光纤非线性效应，如受激布里渊散射(SBS)、受激喇曼散射(SRS)、自相位调制(SPM)、交叉相位调制（XPM）、克尔效应（Kerr）、超短脉冲孤立子（Soliton）等现象。

并对其在光纤通信中的应用进行了展望。

关键字：光纤非线性效应、散射、阈值、光功率
光纤的非线性效应
尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。

光纤传输的衰耗和色散与光纤长度呈线性变化的，呈线性效应，而带宽系数与光纤长度呈非线性效应。

非线性效应一般在WDM系统上反映较多，在SDH 系统反映较少，因为在WDM 设备系统中，由于和波器、分波器的插入损耗较大，对16 波系统一般相加在10dB 左右，对32 波系统，相加在15dB 左右，因此需采用EDFA进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应大大增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因数之一，同时，也增加了ASE 等噪声。

光纤中的非线性效应包括：①散射效应（受激布里渊散射SBS 和受激拉曼散射S RS 等）、②与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关（自相位调制SPM 、交叉相位调制XPM 、四波混频效应FWM ），其中四波混频、交叉相位调制对系统影响严重。

折射率非线性变化
SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。

这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。

从本质上说，任何物质都是由分子、原子等基本组成单元组成。

在常温下，这些基本组成单元在不断地作自发热运动和振动。

光纤中的受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS 都是激光光波通过光纤介质时，被其分子振动所调制的结果，而且SBS 和SRS都具有增益特性，在一定条件下，这种增益可沿光纤积累。

SBS 与SRS 的区别在于，SBS 激发的是声频支声子，SRS激发的是光频支声子。

受激布里渊散射SBS 产生原理：SBS是光纤中泵浦光与声子间相互作用的结果，在使用窄谱线宽度光源的强度调制系统中，一旦信号光功率超过受激布里渊散射SBS 的门限时（SBS的门限较低，
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。

在WDM+EDFA 的系统中，注入到光纤中的功率大于SBS 的门限值，会产生SBS 散射。

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 ，当WDM系统的信道间隔（即波长间隔）与布里渊频移量相等时，就会引起信道间的串扰，但目前的WDM 系统，在32 波( 包括3 2 波)以下时，其信道间隔不小于0.8nm ，既信道间隔不小于100GHz ，可以避免由于SBS 产生的信道串扰，但随着WDM朝密集方向的发展，信道间隔越来越小，但信道间隔靠近10~11GHz 时，SBS 将成为信道串扰的主要因数。

此外，由于SBS会引起一部分信道功率转移到噪声上，影响功率放大。

目前抑制SBS 的措施通常在激光器输出端加一个低频调制信号，提高SBS 的门限值。

受激拉曼散射SRS 产生原理：受激拉曼散射SRS是光与硅原子振动模式间相互作用有关的宽带效应，在任何情况下，短波长的信号总是被这种过程所衰减，同时长波长信号得到增强。

在单信道和多信道系统中都可能发生受激拉曼散射SRS 。

仅有一个单信道且没有线路放大器的系统中，信号功率大于1W时，功率会受到这种现象的损伤，在较宽信道间隔的多信道系统中，较短波长信号通道由于受激拉曼散射SRS，使得一部分光功率转移到较长波长的信号信道中，从而可能引起信噪比性能的劣化。

由于受激拉曼散射SRS激发的是光频支声子，其产生的拉曼频移量比布里渊频移量大得多，一般在1 00GHz~200GHz ，且门限值较大，在1550nm处约为27dBm ，一般情况下不会发生。

但对于WDM 系统，随着传输距离的增长和复用的波数的增加，EDFA放大输出的光信号功率会接近27dBm ，SRS 产生的机率会增加。

因G.653 光纤的等效芯经面积小于G.652 光纤，受激拉曼散射SRS 门限值要低于采用G.652 光纤的系统，在G.653光纤上产生SRS 的概率要大。

自相位调制(SPM)
自相位调制（SPM）的产生是由于本信道光功率引起的折射率非线性变化，这一非线性折射率引起与脉冲强度成正比的感生相移，因此脉冲的不同部分有不同的相移，并由此产生脉冲的啁啾
SPM效应在高传输功率或高比特率的系统中更为突出。

SPM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。

交叉相位调制(XPM)
交叉相位调制（XPM）的产生是由于外信道光功率引起的折射率非线性变化，导致相位变化
相位正比于，其中第一项来源于SPM，第二项即交叉相位调制(XPM)。

若E1=E2 则XPM的效果将是SPM的两倍。

因此XPM将加剧WDM系统中SPM的啁啾及相应的脉冲展宽效应。

增加信道间隔可以抑制XPM
DSF高速(≥10Gb/s)WDM系统中，XPM将成为一个显著的问题。

四波混频(FWM)
四波混频FWM亦称四声子混合，是光纤介质三阶极化实部作用产生的一种光波间耦合效应，是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物，或边带的新光波，这种互作用可能发生于多信道系统的信号之间，可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应。

在DWDM 系统中，当信道间距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数。

当信道间隔达到10GHz以下时，FWM 对系统的影响将最严重。

四波混频FWM 对DWDM系统的影响主要表现在：(1)产生新的波长，使原有信号的光能量受到损失，影响系统的信噪比等性能；(2)如果产生的新波长与原有某波长相同或交叠，从而产生严重的串扰。

四波混频FWM 的产生要求要求各信号光的相位匹配，当各信号光在光纤的零色散附近传输时，材料色散对相位失配的影响很小，因而较容易满足相位匹配条件，容易产生四波混频效应。

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。

但G.652 光纤在1550nm 窗口存口存在一定的色散，传输10G 信号时，应加色散补偿，G.655 光纤在1550nm 窗口的色散很小，适合10GDWDM系统的传输。

降低FWM的措施
仔细选择各信道的位置，使得那些拍频项不与信道带宽范围重叠。

适用于较少信道数的WDM系统，必须仔细计算信道的确切位置。

增加信道间隔，增加信道之间的群速度不匹配。

缺点是增加了总的系统带宽，从而要求放大器在较宽的带宽范围内有平坦的增益谱，另外还增加了SRS引起的代价。

增加光纤的有效截面，降低光纤中光功率密度。

对于DSF使用大于1560nm的波长。

这种方法的思路是：即使对于DSF，这一范围内也存在显著的色散量，从而可以减小FWM的效率。

这依赖于L-band的EDFA。

针对不同的波长信道引入延时，从而扰乱不同波长信道的相位关系。

受激布里渊散射(SBS)
受激布里渊散射（SBS）是由于光子受到声学声子的散射所产生的,形成斯托克斯波与反斯托克斯波。

SBS产生频移，只发生在很窄的线宽内，在1.55mm处，WB=11.1GHZ。

SBS在朝向光源的方向上产生增益，会引起光源不稳定。

SBS阈值功率低(单波长信道：9dBm). 增加光源线宽能够提高SBS阈值功率 (100MHz 光源:16 dBm ）
SBS的增益系数gB约为4×10-11m/W，且与波长无关。

降低SBS的措施：1、使单信道功率保持在SBS阈值以下。

2、增加光源的线宽,大于100MHz（0.1nm)。

3、采用相位调制。

受激喇曼散射(SRS)
SRS是光子受到振动分子散射所产生的。

SRS同时存在于在光传输方向或者与之相反的方向。

阈值比SBS高3个数量级，具有100nm频移间隔。

SRS 引起 DWDM不同信道之间发生耦合，导致串扰。

长波长信号被短波长信号放大，引起信道功率不平衡
仅当两个波长信号都处于高电平状态才会发生SRS。

色散可以减小SRS。

因为这时不同信道的信号以不同的速度传播，从而减小了不同波长的脉冲在光纤中任一点处都重合的概率。

波长间隔大容易产生SRS。

结束语
在光通信系统中，增加入纤光功率可以在增加传输距离的同时保持足够大的OSNR。

实践表明这会造成各种各样的非线性问题。

通常情况下，玻璃材料中的非线性效应非常微弱。

但是当光信号在光纤中传输时，由于光纤的芯径非常小，致使光纤中光信号的功率密度很高。

此外，传输光纤中的相互作用长度很长（对于LH 为几百公里，对于ULH为几千公里），非线性效应的累积变得非常明显。

在所有非线性效应中，源于克尔效应的那些非线性效应，包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等最容易造成问题。

SPM是某光信道激发的光纤非线性折射率对该信道本身产生的附加相位调制，XPM和FWM是某个信道受邻近信道的非线性干扰。

这些效应是造成传输代价的主要原因（前面的讨论中暂时忽略了传输代价）。

事实上，这些非线性效应（特别是SPM）一直是过去几十年长距离传输研究的重点.
参考资料：
1 《光纤传输模型的数值计算研究》李均，黄德修，张新亮.. 光电子技术与信息，2003，16
2 《非线性光纤光学原理及应用》Govind P. Agrawal 著.. 电子工业出版社许卫洪，硕士
3 《广义M-J集的分形机理[M]》王兴元.大连：大连理工大学出版社，2002
4 《基于GML的网络GIS空间数据交互研究》王继周等.计算机应用研究，2004
5 FGDC Metadata Workbook----Version 2.0 FGDC-STD-001-1998
6 《分形及其计算机生成》齐东旭.科学出版社，1994，11：
7 《基于网格的远程教学研究》高宏卿.上海：华东师范大学，2004。