光纤中的非线性光学效应

1、光纤中的非线性光学效应。

       1.1 在高强度电磁场中任何电介质对光的效应都会变成非线性，光纤也不例外。光纤通信系统中，高输出功率的激光器和低损耗光纤的使用，使得光纤中国的非线性效应越来越显著。这是因为光纤中的光场主要束缚于很细的纤芯中，使得场强非常高；低损耗又使得高场强可以维持很长的距离，保证了有效地非线性相互作用所需的相干传输距离。

       光纤中的非线性效应有两方面的作用：一方面可以引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串扰以及信号载波的移动；另一方面可以被用来开发放大器、调制器等新型器件。

        光纤的非线性可以分为：受激散射效应和折射率扰动。

        受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象叫受激散射效应。受激散射效应有两种形式：受激布里渊散射和受激拉曼散射。这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子，同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个量子。两种散射的主要区别在于受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子，而受激布里渊散射转变为声频声子；光纤中的受激布里渊散射只发生在后向，受激拉曼散射主要发生在前向。受激布里渊散射和受激拉曼散射都使得入射光能量降低，在光纤中形成一种损耗机制。在较低光功率下，这些散射可以忽略。当入射光功率超过一定阈值后，受激散射效应随入射光功率成指数增加。

   1.2折射率扰动。     

           在入射光功率较低情况下，认为石英光纤的折射率和光功率无关。但是在较高光功率下，则应考虑光强度引起的光纤折射率的变化，它们的关系为：n=n0+n2P/Aeff.

  式中：n0为线性折射率，n2为非线性折射率；P为入射光功率；Aeff为光纤有效面积。折射率扰动主要引起四种非线性效应：自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）和光孤子形成。

             自相位调制（SPM）是指光在光纤中传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用。它导致光脉冲频谱展宽，从而影响系统的性能。由于Pin随时间变化，光相位也随时间变化，且与光信号随时间变化方式完全相同。瞬时变化的相位意味着光脉冲的中心频率的两侧有不同瞬时光频率的变化，即SPM会引起光脉冲的频率啁啾。由PSM引起的啁啾通过群速度色散来影响脉冲形状并常常导致脉冲展宽。由SPM引起的脉冲光谱展宽增加了信号带宽，从而限制了光纤通信系统的性能。通常SPM仅对具有较高色散或传输距离很长的系统有重要影响。

             交叉相位调制（XPM）是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。XPM不仅与光波自身强度有关，而且与其他同时传输的光波的强度有关，所以XPM总伴有自相位调制。XPM会使信号脉冲谱展宽。在采用波分复用（WDM）技术的系统中，当光纤中同时传输多个信道时会产生XPM现象。XPM是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。由于XPM引起了信号谱展宽，再加上色散的缘故，会使信号脉冲在经过光纤传输后产生较大的时阈展宽并在相邻波长信道产生干扰。

              四波混频（FWM）是源于折射率的光致调制的参量过程，需要满足相位匹配条件。一个或几个光波的光子被湮灭，同时产生几个不同频率的新光子，在此参量过程中，遵循能量和动量守恒。FWM大致分为两种情况。一种是3个光子合成一个光子的情况，新光子的频率为W4=W1+W2+W3.另一种情况为W1+W2=W3+W4.FWM对于密集波分复用（DWDM） 光纤通信系统影响较大，FWM产生的新的频率成分如果落到WDM信道，会引起复用信道间的串扰，称为限制其性能的重要因素。

             光孤子形成：非线性折射率和色散间的相互作用。可以使光脉冲得以压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，可以形成光孤子。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中，保持形状和脉宽不变。