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光纖的非線性效應

時間:2011-11-24來源:輝鵬網絡 作者:xiaowu 點擊:
內容提要: 常規光纖系統中,光功率不大,光纖呈現線性傳輸特性,然而超高速系統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顯著起來。
  

   常規光纖系統中,光功率不大,光纖呈現線性傳輸特性,然而超高速系統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顯著起來。

       (1)光纖的非線性機理

  線性或非線性指的是光在其中傳輸的介質的性質,而非光本身的性質。在強電場的作用下,任何介質都呈現非線性,光纖也不例外。當傳輸介質受到光場的作用時,組成介質的原子或分子內的電子相對于原子核發生微小的位移或振動,使介質產生極化。也就是說,光場的存在尤其是強光場的作用使得介質的特性發生了變化。在光纖通信系統中,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越來越顯著。這是因為單模光纖中的光場主要約束于很細的纖芯內,場強非常高,低損耗又使得高場強可以維持很長的距離。

  光纖中的非線性效應,一方面可以引起傳輸信號的附加損耗,信道之間的串話,信號頻率的移動等,這是其不利的一面;另一方面又可以利用其開發新型器件,如激光器、放大器、調制器等。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。

  (2)主要的非線性效應

  光纖中典型的非線性效應有自相位調制效應(SPM)和交叉相位調制效應(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制效應(SPM)、受激拉曼散射(SRS)和四波混頻(FWM)。

 、僮韵辔徽{制效應(sPM)。

  光脈沖在光纖中傳播時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強度的平方成正比,故自相位調制由于光場自身引起的相位變化,進而導致光脈沖頻譜擴展。從原理上說,自相位調制可用來實現調相,但實現調相需要很強的光強,且需選擇折射率大的材料。自相位調制效應的真正應用是在光纖中產生光孤子,實現光孤子通信,這是光纖非線性特性的重要應用。

 、谑芗だ⑸(SRS)。

  受激拉曼散射是由光纖物質中原子振動參與的光散射現象。在散射的過程中,常常伴隨著聲子被吸收或者被發射,根據能量守恒定律,入射光會發生頻率轉換,即在此過程中光場把部分能螢轉移給非線性介質。

  受激拉曼散射對光纖通信的不利影響主要表現在兩個方面,一是造成光纖中損耗增加,頻率轉換,因此必須加以抑制,主要是限制光纖中傳輸的最大功率;二是引起波分復用系統中的串擾。

  目前對受激拉曼散射研究重點是利用這種效應來為光纖通信服務,受激拉曼放大器(RA)就是這些研究中的一個熱點。

 、鬯牟ɑ祛l(FWM)。

  四波混頻是指兩個以上不同波長的光信號在光纖的非線性影響下,除了原始的波長信號外還會產生許多額外的混合成分(或叫邊帶)信號。

  在波分復用系統中,特別是當信道間隔很小時,會有相當多的信道功率通過四波混頻過程被轉換到新的光場中去,這一轉換直接導致信道功率損耗,同時還會產生串話,引起信道干擾。

  FWM的影響有賴于相互作用的信號之間的相位關系。如果相互作用的信號以同樣的群速度傳播(無色散時就是這種情況),則FWM的影響加強;另一方面,如果存在色散,不同的信號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,FWM效率要高得多。為了盡可能減少FWM的非線性效應的影響,開發了大有效面積非零色散位移單模光纖(LEAF)。


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