非线性效应及举例

非线性效应及举例开发二部唐明星非线性效应及举例非线性效应是指强光作用下由于介质的非线性极化而产生的效应，包括光学谐波，倍频，受激啦曼散射，双光子吸收，饱和吸收，自聚焦，自散焦等。光纤传输的非线性效应在光通信系统中，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。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。光纤中的非线性效应包括：①散射效应、②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。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。非线性效应一般在WDM系统上和长跨距系统上反映较多，因需采用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。散射效应包括受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS等；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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，表现为信号光功率抖动及光纤损耗显著变大。SBS效应可以将信号光能量转移给频率下移且反向传输的Stokes光。SBS效应不仅给系统带来噪声，而且造成信号的一种非线性损耗，限制入纤光功率的提高，并且降低了系统光信噪比，影响功率放大，严重限制传输系统性能提高。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，信道间隔靠近10~11GHz时，SBS将成为信道串扰的主要因数。受激拉曼散射SRS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100GHz~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。克尔效应的理论公式各向同性的介质如玻璃，石蜡，水，硝基苯等，在强电场作用。由于其分子受到电力的作用而发生取向(偏转)，呈现出各向异性的光学性质，表现出双折射现象，即沿两个不同方向物质对光的折射能力有所不同。折射率差值Δn与电场强度的平方成正比，这种与电场二次方成正比的电感应双折射现象称为克尔效应。光学克尔效应。当所加的是光频电场时，如果光足够强,也会发生同样的现象。此时Δn正比于作用在介质中的激光束的光强,即Δn=K*|E*E|。自相位调制SPM即光纤中激光强度的变化导致光纤折射率的变化，引起光信号自身的相位调整，这种效应叫做自相位调制SPM。由于折射率对光强存在依赖关系，在光脉冲持续时间内折射率发生变化，脉冲峰值的相位对于前、后沿来说均是延迟的，这种相移随着传输距离的增加而积累起来，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使光谱展宽导致脉冲展宽，这就称为自相位调制SPM。光脉冲的频谱展vs光谱展宽。一般情况下，自相位调制SPM效应只在超长系统中表现比较明显，同时在色散大的光纤中也表现比较明显，所以，采用G.653、G.655光纤，且将信道设置在零色散区附近，有利于减小自相位调制效应，对于使用G.652光纤，且长度小于1000km的系统，可以在适当的间隔进行色散补偿的方法来控制自相位调制SPM效应。交叉相位调制XPM在多波长系统中，一个信道的相位变化不仅与本信道的光强有关，也与其它相邻信道的光强有关；每一频率成分的光束会通过光纤的非线性极化率，影响其它频率光束的有效折射率而实现对后者的调制，这种相互调制的相位变化就是交叉相位调制XPM。XPM通过GVD（GroupVelocityDispersion）将信号的相位调制转化为强度调制，导致脉冲波形畸变；XPM引起的频谱展宽度与信道的间隔有关，越小，则产生的效应就越大。XPM引起的展宽会导致多信道系统中信道间的串扰。信道越密集、传输跨段数越多，XPM效应对DWDM系统的影响越大。四波混频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，或在边带上产生新的光波效应，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。发生四波混频的原因是入射光中的某一个波长上的光会使光纤的折射率发生改变，则在不同的频率上产生了光波相位的变化，从而产生了新的波长的光波。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。非线性效应的抑制SPM所带来的频谱展宽与许多因素有关,如入信号的峰值功率、光纤长度、脉冲形状和初始,脉冲形状也受影响。在光纤的反常色散区,这两种现象共同用的结果导致光纤中孤子的形成;在光纤的正常散区,SPM和GVD效应的共同作用已光脉冲缩方在面得到了应用。一种抑制自相位调制(SPM)的方法，其特征是：在长距离级连传输过程中，采用不同的色散补偿模块，分散进行色散补偿，调整光脉冲形状，使其尽量接近入纤前的光脉冲形状。其通过合理管理系统色散分布，调整光脉冲的形状，从而抑制SPM效应的产生和影响，大大降低了它造成的频谱展宽程度以及系统性能的恶化程度，降低了对传输系统系统功率平坦度的要求，使传输距离充分拓展。FWM效应导致的混频产物落在信道内，将会引起信道间串扰，导致信噪比降低，一般对中间信道的影响最大。当混频产物落在信道外时，也会给系统带来噪声。FWM效应的产生须满足相位匹配条件，因此在G.655光纤中比较明显，常见抑制方法是降低入纤光功率、采用不等信道间隔等。SBS效应是一种窄带效应，在光纤中典型的增益带宽约为50MHz，一般由光信号中的载波分量引起，可以采用载波抑制或展宽载波光谱将其抑制。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。光迅公司的SBS抑制器采用射频信号调制相位调制器改变信号功率谱密度的方法，将2.5G系统的发射端功率限制由17dBm可提升至22dBm，10G系统的发射功率限制由12dBm可提升至17dBm，大大延长了长跨距传输的跨段距离。UFEC16里的LiNbO3PHASEMODULATOR；前置色散补偿抑制光纤中SBS效应：在入纤功率小于6dBm、信号速率为10Gbps、传输光纤为G.652的光传输系统、前置色散补偿为-800ps/nm情况下,可以提高系统的SBS效应阈值2dB左右。对于光纤非线性效应，一般可通过降低入纤光功率，采用新型大孔径光纤、喇曼放大、色散管理、奇偶信道偏振复用等方法加以抑制。采用特殊的码型调制技术，也可有效提高光脉冲抵抗非线性效应的能力，增加非线性受限传输距离.非线性效应的抑制非线性效应的利用在光孤子和色散管理孤子传输中，通过合理利用和管理SPM效应从而达到改善和提高传输系统性能的作用。基于SRS效应实现拉曼放大器；频率上转换效应在红外外差式探测器上的应用。红外接收是不可见的低频信号(s)和另一束可见的强激光(p)通过在晶体中混频，使红外信号频率上转到可见光频率，再经过光放大等过程实现了对红外信号的观察和探测。目前用此效应的红外探测器已得到普遍的应用。