四波混频

四波混频（FWM）四个不同频率的波失在介质中混频.在四波混频过程中光子的能量与动量守恒在四个波得频率相等的情况下，四波混频称为简并四波混频介质(3)1()Ew2()Ew3()Ew4()Ew4123123虽然简并四波混频的四个光子频率相同，但是它们的波矢方向可以不相同，在相位匹配条件下，必须保证。考虑一种特殊情况，如下图，存在两对波矢方向相反的光，输出为-k‘，它们满足如下相位匹配条件。''()()kkkk简并四波混频的相位匹配4123()0kkkkk四波混频效应这种简并四波混频非线性过程与典型的全息照过程很相似。可以将k‘当做物光，k当做参考光，两者在介质中互相干涉，形成全息图，如果全息图被记录下来了，在参考光k的照射下，沿物光k’相反的方向-k‘可见物得虚像。若挡住物光k’，在另一参考光-k的照射下，会产生-k‘方向的赝像，该赝像就是原物光的相位共轭光。虽然全照息过程和四波混频过程都产生相位共轭光，但两者根本不同之处：全息照相的记录和重现过程在时间上式分段进行的，而四波混频的相位共轭光与原入射光几乎是同时产生。后向相位共轭的波阵面空间分布于原光波的波阵面的空间分布相同，只是传播方向与原光波相反。利用后向相位共轭原理做成的共轭反射镜可以自动补偿光束经过不规则扰动介质后的波面畸变。与普通反射镜的作用不同之处在于：当一束光平行平面波经过畸变介质后，普通镜起增加畸变的作用，而共轭镜对畸变的波面有补偿或抵消畸变的作用FWM过程的光学相位共轭非线性介质Ec（共轭信号）Ep（探测信号）E1泵浦E2泵浦简并四波混频后相位共轭的几何配置四波混频的缺点以光的波分复用技术为基础的光通信可以有效地扩大通信容量。随着无中继传输距离的增加,需要加大发射功率。但是在大的光功率激励下,光纤会呈现不良的非线性现象。光纤中的非线性效应一般可分为受激拉曼散射效应和非线性折射率变化前者包括受激喇曼散射SRS和受激布里渊散SBS等后者包括四波混频效应FWM、自相位调制SPM和交叉相位调制XPM等。在WDM系统中，各种光纤非线性的影响不一定相同，最为危害性的是由FWM引起的密集波分复用系统的路间串扰。由于光纤的色散很小,四波混频的相位匹配条件很容易满足。四波混频的发生不仅导致信号光功率的下降,而且产生的新频率光波可能落在信号光的频带内引起信道间的串扰,并最终导致误码的发生。虽然玻璃中的三阶非线性极化率非常弱,但对于强光场,光纤芯中的四波混频光可以非常强,因此,人们已研究出多种抑制的技术方案。目前已经大量敷设的常规单模光纤抑制FWM的方法利用NZ-DSF抑制FWM改变信道间距工作波长的改变通过色散管理抑制FWM其他抑制PWM的方法利用NZ-DSF抑制FWMNZ-DSF零色散点设置在1520nm1570nm波长处，而在1548nm~1565nm范围内，色散值保持在1.0~4.0nm。Km水平上。工作波长避开了零色散区，但又保持了较小的色散，使相位匹配条件不易满足。NZ-DSF和DSF相比，只是零色散波长的移动，虽然色散系数不为0，但与常规光纤相比已大大降低，缓解了色散受限距离。兼容了常规光纤小口的优点，又解决了常规光纤的色散受限。改变信道间距用适当不等间距的波长信道配置设计来实现,通常选择通道频率,使产生的新频率分量大部分落在通道滤波器通带之外,这种技术用于10个信道,每个信道速率为10G/s以下的系统可大大减小四波混频的影响加大信道间距也可抑制四波混频的效率,却是以牺牲系统带宽为代价的实际上,采用部分等间距信道更为有意义,其核心在于使通道间隔相对远的信道之间的四波混频所产生的频率分量落在信道滤波器通带内,由于四波混频的效率随着波长间隔加大而降低,引入的恶化并不严重,这样可使系统容纳更多的波长。光纤中的四波混频现象是有利还是有害，将取决于其具体应用在什么方面。在WDM系统中FWM能够引起信道间的窜话，从而限制了WDM系统的通信质量，因此在WDM通信中将尽量降低FWM现象。然而正是由于FWM能够颇为有效地产生新的光波，人们已对它进行了广泛地研究，FWM现象又可被利用实现完全透明的全光波长变换。波长变换技术成为未来光通信网络中的一项尤为关键的技术之一。只有当相位失配（含有k的项）几乎为零时，才会发生显著的四波混频过程。所以应该尽量提高失配率。四波混频的应用A与C通信的同时，E与B要进行通信，A与C的通信占用了通信波长λ1，当E与B要进行通信时发现波长λ1已被占用，则利用OXC设备将其通信波长变换到空闲波λ2，因此通过引进OXC能够使得光通信网络同时进行多个链路的通信。这样提高了波长利用率，降低了信号阻塞率，大大提高了光通信效率。基于四波混频效应的全光波长变换多束光在非线性介质中传输时，由于非线性作用将产生新的波长。根据发生作用的光波数目可分为：三波混频与四波混频。他们分别来自于光的二阶非线性效应与三阶非线性效应。如图1-13所示：抽运光fp与信号光fs在非线性介质中由于FWM效应，产生了频率为fc=2fp-fs的变换光和频率为fx=2fs-fp的闲频光。变换光与闲频光均携带了信号光的信息，只是由于在以往研究中，闲频光的功率远小于变换光功率，使得利用变换光能获得较高的变换效率，而均是利用变换光来实现全光波长变换。基于四波混频效应的全光波长变换（FWM-AOWC）是目前唯一一种能够对输入信进行完全透明转换的AOWC，能够实现同时将一组波长转换到另一组波长上去，转换率可高达：100Gbit/s，具有较高的转换速率。光纤中四波混频效应的影响因素由四波混频效率公式可得，四波混频效率受到如下因素的影响，相位失配因子、光纤长度、光纤的衰减系数；相位失配因子受到光纤零色散波长、抽运光与光纤零色散波长差、抽运光与信号光波长差的影响。在满足相位完全匹配的前提下，上述各种因素对混频效率的影响几乎为零，但在k≈0即近相位匹配的前提下，各种影响因素对混频效率起着重要的作用，且各种参数的选择是相互关联的，只有在固定的某个范围下，才能获得较大的混频效率.