关于光纤的非线性效应

随着增加光信号功率来达到高比特速率下更长的跨段距离，开始出现信号和硅光纤传输媒介之间的非线性相互作用。因此，光纤的非线性特性已经在大容量系统和无再生的长路由中成为需要考虑的重要问题。这些非线性特性通常可归类为散射效应（受激布里渊散射和受激拉曼散射）或与克尔效应有关的效应，即折射指数对光强度的依赖性（自相位调制、交叉相位调制、调制不稳定度、光孤子的形成及四波混频）。有多个参数会影响这些非线性效应的严重程度，包括光纤的色散特性、光纤的有效面积、多通道系统中通道的数量和间隔、系统无再生的总长度、光纤特性的纵向均匀程度以及信号强度和光源线宽。

一、受激散射

受激散射发生的非线性现象有两种：一是受激布里渊散射，二是受激拉曼散射。

1、受激布里渊散射（SBS）

受激布里渊散射（SBS，Stimulated Brillouin Scattering）是由光纤中的光信号和声波之间相互作用所引起的非线性现象。SBS表现为当光纤注入功率大于受激布里渊散射（SBS）阈值时，SBS将把一种部分输入光功率转换为后向斯托克斯波，即转化为后向散射光。该后向散射光进人光源后，会使激光振荡产生不稳定现象，使激光波长发生变化，使激光器对强度噪声RIN（信噪比）恶化；同时，SBS造成光链路损耗增加，使系统信噪比指标下降。此外，SBS还将引起系统的复合二阶失真（CSO）恶化，造成系统误码。在所有的光纤非线性效应中，SBS的阈值最小，在窄线宽情况下可能仅仅只有几个毫瓦的量级。

目前对SBS的抑制方法有单频相位调制法和激光器高频抖动法。单频相位调制法对SBS阈值的提高量可达到5dB左右，如要进一步提高SBS阈值，必须同时采用相位调制法与激光器高频抖动法。在系统设计中必须保证入纤功率不超过SBS阈值。在应用加宽淘汰谱线宽方法（SBS阈值随淘汰谱线宽的宽度增大而增大）抑制SBS效应的同时，应考虑进行色散补偿。

2、受激拉曼散射（SRS）

受激拉曼散射（SRS，Stimulated Raman Scattering）是光信号与石英玻璃光纤中的分子振动的相互作用引起的非线性现象。SRS主要表现为当光纤注入光功率大于其阈值光功率时，会使光纤发生向前和向后的散射光，此时光纤就起到拉曼放大器的作用。在拉曼增益带宽内，高频信道的能量通过受激拉曼散射向低频信道转移，从而引起低频信道信号的放大和高频信道信号的衰减。由于拉曼增益带宽很宽，信道间距很宽的两个信道也会受到拉曼散射的影响，因此，SRS限制了光纤通信容量，并产生信道串话。对单信道系统而言，SRS阈值约为1W。抑制SRS可采用的方法有：使用光隔离器来消除后向散射光；通过控制每个信道的功率，使波分复用信道功率和经EDFA（掺铒光纤放大器）放大后的输出光强不超过1W，从而有效抑制SRS。

二、折射率扰动

在光功率的作用下，石英玻璃光纤折射率是保持恒定的，但在使用大功率半导体激光器和掺铒光纤放大器的情况下，光纤获得的高功率会引起光纤折射率的变化。

折射率扰动引起的四种非线性效应为光的克尔效应、自相位调制、交叉相位调制和四波混频。

1、光的克尔效应

光的克尔效应即光感应的对折射现象。它是在光纤中，由于光纤中光的高功率或外界强电磁脉冲引起的非线性现象，是强光场引起光学折射率改变的结果。这一效应通过自相位调制（SPM）来体现，它对光纤的偏振模色散将产生影响。

2、自相位调制（SPM）

自相位调制（SPM，Self Phase Modulation）是由一个脉冲对自身相位的作用而引起的。一次脉冲的两个边表示一个变时光强，该光强产生一个变时折射率。改变的折射率调制传输的光脉冲的光谱。SPM的主要作用是展宽光纤内传输的光脉冲的频谱。如果这种作用十分强大，那么在密集波分复用系统中，光谱展宽会重叠进入邻近的信道，从而严重影响系统性能。SPM对系统性能的影响，可通过选用低色散或零色散的光纤来减小。

在某些条件下，SPM是有利的。可利用SPM与激光器啁啾和正的群速度色散（GVD）的相互作用来暂时压缩传输的脉冲，导致净啁啾为零，从而形成孤子（光脉冲波形宽度在传输过程中始终维持不变）。

3、交叉相位调制（CPM）

交叉相位调制（CPM，Cross Phase Modulation）是一个脉冲对其它信道脉冲相位的作用，其产生方式与SPM相同。CPM与SPM所不同的是，SPM发生在单信道和多信道系统中，而CPM仅出现在多信道系统中。

4、四波混频（FWM）

四波混频（FWM，Four Wave Mixing）是指当有任意两个或三个频距很小的光波f _i、f _j和f _k（k≠i、j）注入光纤时，由于光纤的三阶非线性电极化率的相互作用，就会产生频率为F＝f _ijk＝f _i+f _j-f _k的新光频分量，并遵守能量守恒和动量守恒定律，其新增波长数N＝n ₀²（n ₀-1）/2（n ₀为原始波长数）。

FWM效应的作用有两个方面：一是可利用FWM过程产生的新光频分量设计出多种新型光器件，如全光波长变换器、光能复用器、光相位共轭器及色散补偿器等；二是FWM在光密集波分复用（ODWDM）技术中，由于信道多而密集，信道间隔小，光功率密度大，致使FWM现象显著，造成系统的信号功率下降，串音或误码率上升，使系统性能变坏。消除或减弱FWM影响的技术途径主要有以下表2-4所示的三种。

表2-4：消除或减弱FWM影响的主要技术途径

三、ITU的相关建议

1、G.650.2建议

ITU-T的G.650.2《单模光纤和光缆的统计及非线性相关属性的定义和测试方法》给出了单模光纤和光缆的非线性参数的定义。其中，在其附录Ⅱ《非线性属性》中，介绍了有效面积、修正因子k、非线性系数、受激布里渊散射（SBS）等相关属性，具体内容详见下附件3-1。对于其它的非线性效应，G.650.2的附录Ⅱ中引用了G.663建议。

附件：单模光纤和光缆的非线性相关属性（G.650.2的附录Ⅱ）

2、G.663建议

在ITU-T的G.663《光放大器设备和子系统的应用相关方面》中，其附录Ⅱ《传输的相关方面》的第3部分给出了“光纤的非线性”。该部分介绍了其它光纤的非线性效应，包括四波混频、调制不稳定度、自相位调制、交叉相位调制、光孤子和受激拉曼散射等内容。并且在其最后，还给出了光纤中的非线性光学效应的总结；和长距离系统趋势及其对非线性系统惩罚的影响比较。具体分别详见下表3-2-1和表3-2-2中。

表3-2-1：光纤中的非线性光学效应（表Ⅱ.1/G.663）

表3-2-2：长距离系统趋势与非线性系统惩罚（表Ⅱ.2/G.663）

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