【正文】 rference），從而限制了光纖通信系統(tǒng)的比特率 B和傳輸距離 L，而 BL積是評價系統(tǒng)傳輸性能的基本參數(shù)（稱為通信容量）。 對于 D=17 (ps/),?=1550nm的系統(tǒng) ,通常采用經(jīng)驗公式 : B2L6000 (Gb/s) 當(dāng) B=,L960km 當(dāng) B=10Gb/s時 ,L60km 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng) p56 概述 受激非彈性散射 ?受激布里淵散射 (SBS) ?受激喇曼散射 (SRS) 非線性折射率 ?自相位調(diào)制 (SPM) ?互相位調(diào)制 (XPM) ?四波混頻 (FWM) 概述 ? 盡管用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于纖芯小，纖芯內(nèi)場強(qiáng)非常高，且作用距離長，使得光纖中的非線性效應(yīng)會積累到足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致對信號的嚴(yán)重干擾和對系統(tǒng)傳輸性能的限制。 ? 反之，可以利用非線性現(xiàn)象產(chǎn)生有用的效應(yīng)。導(dǎo)致新的學(xué)科分支 —非線性光纖光學(xué)。 光纖中的非線性效應(yīng)可分為兩類 : 一、受激非彈性散射： 光場經(jīng)過非彈性散射將能量傳遞給介質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)。包括： 受激布里淵散射 (SBS)和受激喇曼散射 (SRS) 二、非線性折射率： 光纖折射率與光強(qiáng)的相關(guān)性產(chǎn)生的效應(yīng)。包括：自相位調(diào)制 (SPM)、互相位調(diào)制 (XPM)和四波混頻 (FWM) 非線性效應(yīng)概述 ? SBS、 SRS及 FWM過程所引起的波長信道的增益或損耗與光信號的強(qiáng)度有關(guān)。這些非線性過程對某些信道提供增益而對另一些信道則產(chǎn)生功率損耗，從而使各個波長間產(chǎn)生串?dāng)_。 ? SPM和 XPM都只影響信號的相位，從而使脈沖產(chǎn)生啁啾，這將會加快色散引起的脈沖展寬，尤其在高速系統(tǒng)中。 ? 所有這些非線性中的任意一種效應(yīng)引起信號損傷時，需要獲得一些 附加功率，以維持 BER與原先無非線性效應(yīng)時一樣 。這部分附加功率（以分貝為單位）就是相應(yīng) 非線性效應(yīng)的功率代價 。 ?非線性效應(yīng)與傳輸距離和纖芯內(nèi)場強(qiáng)有著密切的關(guān)系 ，為此引入兩個基本參量： 有效長度和有效面積。 非線性效應(yīng)概述 1. 有效長度 Leff： ?? Le f f dzzPPL 00)(1當(dāng) L很大時， ?1?e f fL對于損耗為 ,Leff約 20km 非線性對信號的影響完全隨距離增加而增加。但是，由于光纖損耗而帶來信號功率連續(xù)下降，需要對上述說法進(jìn)行修正。實際上，可以采用一個簡單而足夠精確的模型來假定功率在一段光纖長度內(nèi)為常數(shù)。 ???LLz edze?? ??? ? 10L Leff P(0) 實際傳輸距離 2. 有效面積 Aeff: ? ?? ?? ?? ?? ??rre f fr d r drIr d r drIA??????,22模場分布為高斯分布時 ,Aeff=?W2 普通單模光纖的 Aeff?80?m2 色散位移光纖的 Aeff?55?m2 色散補(bǔ)償光纖的 Aeff?20?m2 Aeff 非線性效應(yīng)隨光纖中光強(qiáng)的增大而增大。對于一個給定的光纖，光強(qiáng)反比于光纖纖芯的橫截面積。由于光功率在光纖纖芯內(nèi)不是均勻分布的，為簡單起見，采用有效面積 Aeff表示。 受激非彈性散射 一、概述 ?受激非彈性散射 ：散射光頻率下移，光場把部分能量傳遞給介質(zhì)。 ?一個高能量光子（通常稱為泵浦）被散射成一個低能量的光子（斯托克斯光），同時產(chǎn)生能量為兩光子能量差的另一個能量子 ?SBS參與的能量子為聲學(xué)聲子，只有后向散射 ?SRS參與的能量子為光學(xué)聲子，以前向散射為主，但也有后向散射 ?在高功率傳輸時，光纖中的受激喇曼散射和受激布里淵散射能導(dǎo)致相當(dāng)大的損耗，一旦入射光功率超過閾值，散射光強(qiáng)將指數(shù)增長。是一種閾值行為。 ?閾值功率 ：在光纖輸出端有一半功率被損失到斯托克斯光時的入射功率 受激非彈性散射 二、受激布里淵散射（ SBS）（ 1） 功率閾值 機(jī)理 SBS可描述為泵浦光、斯托克斯波和聲波之間的參量互作用。可看作是一個泵浦光子的湮滅，同時產(chǎn)生一個斯托克斯光子和一個聲學(xué)聲子。 閾值功率 Pth與光纖的衰減系數(shù) ?、光纖有效長度 Leff、布里淵增益系數(shù) gB和光纖的有效面積 Aeff有關(guān)，可近似寫為： ef fBef fth LgAP /21? Bth gwP /)(21 2???L足夠長時， Leff ? 1/?，而 Aeff可用 ?w2代替， w為模場半徑 峰值增益 gB?5?1011m/W，這樣 Pth可低至 1mW，特別是在 1550nm最低損耗處，將極大地限制光波系統(tǒng)的注入功率。但以上估計忽略了與入射光有關(guān)的譜寬效應(yīng)，在典型系統(tǒng)中閾值功率可增大至 10mW或更高。不過還應(yīng)注意消除。 二、受激布里淵散射（ SBS）（ 2） 特點 ?增益帶寬窄（約 10GHz），這說明 SBS效應(yīng)被約束在 WDM系統(tǒng)的單個波長信道內(nèi)。 ?功率閾值與光源線寬有關(guān)，光源線寬越窄，功率閾值越低 減小 SBS對系統(tǒng)影響的主要措施 ?減低入纖功率（減小中繼間隔） ?增加光源線寬（色散限制） 一般情況下， SBS在光纖通信系統(tǒng)中是一種有害的因素，應(yīng)注意減小。但由于它能通過將具有合適波長的泵浦場的能量傳遞給另一波長的光場，使該光場得到放大，所以能用于制造 布里淵放大器 。但由于其增益譜寬窄，放大器的帶寬也很窄。 二、受激布里淵散射（ SBS）（ 3） 三、受激喇曼散射（ SRS）（ 1） SRS：入射光波的一個光子被一個分子散射成為另一個低頻光子，同時分子完成振動態(tài)之間的躍遷。 SRS是非線性光纖光學(xué)中一個很重要的非線性過程，它可使光纖成為 寬帶喇曼放大器和可調(diào)諧喇曼激光器 ，也可使某信道中的能量轉(zhuǎn)移到相鄰信道中，從而嚴(yán)重影響多信道光通信系統(tǒng)的性能。 ?1 ?2 ?3 ?4 ?1 ?2 ?3 ?4 fiber 特點 ?增益帶寬寬（約 125nm），影響其它信道功率 ?WDM系統(tǒng)中，較高頻率的信號成為所有較低頻率信號的泵浦源，頻率最高的信道功率消耗最大。 三、受激喇曼散射（ SRS）（ 3） 非線性折射率 在較高入射光功率下，纖芯折射率應(yīng)表示為： (光場線偏振，光脈沖寬度 1ps) ? ? 222 ),( EnnEn ?? ??光場幅度的有效值或均方根 線性折射率 非線性折射率 或 Kerr系數(shù) 折射率的非線性影響一般很小。但光纖中大部分非線性效應(yīng)都起源于非線性折射率。 一、自相位調(diào)制 SPM ? 折射率非線性分量的出現(xiàn)將引起導(dǎo)模傳播常數(shù)的變化，使傳播常數(shù)增加了一附加項： ef fAn 22??? ? 光纖有效 截面積 由模場自己產(chǎn)生的非線性效應(yīng)而引起的非線性相移稱為 自相位調(diào)制 ，信號光強(qiáng)的瞬間變化引起其自身的相位調(diào)制。 P??? ??39。線性傳輸時的傳播常數(shù) 非線性系數(shù) 光纖中傳輸?shù)墓β? ? 非線性相移 inef fef fef finLNL PALnLPdZZP )/2()( 20 ????? ??? ?非線性相移與信號功率成比例增大， 輸入信號功率越大，非線性效應(yīng)越強(qiáng)。 SPM不僅隨光強(qiáng)而變，而且隨時間變化，這種瞬時變化相移將引起光脈沖的頻譜展寬，導(dǎo)致在光脈沖的中心兩側(cè)出現(xiàn)不同的瞬時光頻率，即出現(xiàn) 頻率啁啾 。 ? 頻率啁啾 ? 相位調(diào)制導(dǎo)致的頻率啁啾為： dtdPALndtd ine f fe f fs p m ????? ????2)(21頻率啁啾隨傳輸距離增大而增大，因此隨著光脈沖沿光纖傳輸將不斷產(chǎn)生新的頻率分量，頻譜將不斷展寬。脈沖頻譜的展寬程度還與脈沖形狀有關(guān)。 ?SPM特點 ? SPM導(dǎo)致頻率啁啾，正比于光強(qiáng)對時間的微分 ? 頻率啁啾將導(dǎo)致脈沖譜寬增加 ? SPM與色散共同作用，在正常色散區(qū)，加劇脈沖展寬速度；在反常色散區(qū)減低脈沖展寬速度 (但SPM將導(dǎo)致脈沖畸變 )，在一定條件下，可以使色散效應(yīng)與 SPM效應(yīng)互相抵消，實現(xiàn)脈沖無畸變傳輸 孤子 二、互相位調(diào)制 XPM ? 在多波長系統(tǒng)中（ WDM），光強(qiáng)的變化引起相位的變化，由于相鄰信道間的相互作用，引起交叉相位調(diào)制。 XPM是不同波長的光脈沖在光纖中共同傳輸時引起的一種光場的非線性相移。 ? 特點： 信道光信號產(chǎn)生的非線性相移不僅取決于其自身的強(qiáng)度或功率，也取決于其他信道信號功率，因而第 j信道的相移可寫為： ???????? ?? ??Mjmmje f fjNL PPL 2??M：信道總數(shù)； Pj：信道功率（ j＝ 1～ M）；因子 2表明在同樣功率下 XPM的影響是 SPM的兩倍，這樣總相移就與所有信道功率和有關(guān)，并根據(jù)相鄰信道比特圖形而變化。 ? 說明： ?在 WDM系統(tǒng)中，某信道的 XPM是其它信道共同作用的結(jié)果。 ?XPM已成為 WDM系統(tǒng)主要的功率限制因素之一。 ?XPM與信道間隔以及信道數(shù)有關(guān)，大的信道間隔，加快了信道間的走離，有助于減小 XPM。 ?由于各信道之間偏振態(tài)的隨機(jī)性， XPM又呈現(xiàn)出復(fù)雜的統(tǒng)計特性。 ? 減小影響的主要方法： ?增大信道間隔 ?減低信號功率 ?相鄰信道正交偏振 三、 四波混頻 FWM ? FWM： 光纖中不同波長的光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長上產(chǎn)生所謂混頻產(chǎn)物或邊帶的新光波的現(xiàn)象。 對于等間隔的 WDM系統(tǒng)，這些頻率分量將與信號頻率重疊，形成信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。 ?1 ?2 ?3 ? 特點： 小的色散光纖，相位匹配易于滿足，F(xiàn)WM越加嚴(yán)重，故應(yīng)在 色散與 FWM之間取折衷。 ? 減小影響： 增加信道間隔、 適當(dāng)加大色散 、非等間隔信道、減小光功率、 相鄰信道正交偏振（破壞相位匹配） 本章小結(jié) ? 光纖性能是有限制的，隨著信道數(shù)據(jù)率和傳輸距離的增加，光纖不再是一個透明管道。 色散的積累、非線性光纖效應(yīng)的影響等新問題不斷出現(xiàn) 。 ? 傳輸特性 ? 損耗 ：直接影響中繼距離， 光放大器 ； ? 色散 ：將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，最終影響通信距離和容量， 色散管理 ； ? 非線性效應(yīng) ：在強(qiáng)光場作用下，物質(zhì)發(fā)生非線性極化所產(chǎn)生的現(xiàn)象。一類是受激光散射 (SRS和 SBS)，另一類是非線性折射率調(diào)制 (SPM,XPM和 FWM)。將引起功率耗散和信號頻率轉(zhuǎn)移，以及信道之間的串?dāng)_。