常见概念 -- 非线性效应

什么是非线性效应

        光纤的非线性效应是指在强光场作用下，光波信号和光纤介质相互作用的一种物理效应。它主要包括两类：一类是由于散射作用而产生的非线性效应，例如受激拉曼散射及布里渊散射；另一类是由于光纤的折射指数随光强度变化而引起的非线性效应，例如自相位调制、交叉相位调制以及四波混频。

        光纤的非线性效应与信号的光功率密度成正比，并显著地影响了信号光的相位、脉冲形状和功率演化。

SPM

        在强光场作用下，光纤的折射率出现非线性，使得光纤中所传输光脉冲相位漂移，相位变化导致光脉冲频谱变化，从而使传输脉冲在波形上被压缩或者展宽。 光脉冲在传输过程中由于相位变化而导致光脉冲频谱变化称为自相位调制。

XPM

        光纤中传播不同频率的波长时，介质的折射率与所有波长的光场都有关系，因此，某一特定频率的相位不但与自身的光场有关，还与其它频率的光场有关。这种相互作用称为交叉相位调制（XPM）。

        和SPM相比，XPM效应引起的后果更严重。 通道越多，色散系数越小，XPM产生的相移越大。

FWM

        不同波长的两三个光波由于光纤的三阶非线性电极化率的相互作用，在其它波长上产生所谓混频产物，或边带的新光波。

        FWM仅在通道间隔很小，同时通道波长接近光纤色散零点时才变得非常明显。

SRS和SBS

        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。 受激布里渊散射SBS主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。 这两种散射都是指光波与声子之间发生能量交换，导致光波分散为不同的波长。

        SRS的声子通常是频率较高的光学声子，SRS既可能使频率发生前向移动， 也可能后向移动。

        SBS通常只发生后向，也就是入射光波的频率是向下移动的。

对WDM系统的影响

        在以前的同步传输网上，由于进入光纤的光功率不大，光纤呈现的是线性特性，影响光纤传输的主要因素是损耗和色散。然而，随着WDM系统的出现，波分复用技术使一根光纤中有了数十条甚至上百条光波道，并且随着光纤放大器的使用，大功率的多波长光信号被耦合进一根光纤，聚集在很小的界面上，光纤开始表现出非线性特性，并且成为限制传输性能的关键因素。

        光功率密度越大、信道间隔越小、跨段越多，光纤的非线性效应就会越严重；色散与各种非线性效应之间的关系比较复杂，其中四波混频随色散接近零而显著增加。

如何补偿

        光纤中的非线性现象起因不同，对系统的危害也不一样，需要具体分析和对待。总体来说，可采取以下措施：

降低光功率密度

• 1. 使用大有效面积的光纤，降低单位面积上的光功率。
• 2. 降低入纤功率。为了提高入纤信号的OSNR，有时需要使用较大的入纤功率，而如果在系统中采用噪声比较低的拉曼放大器后，只需入射较低的信号光功率就可以得到较高的OSNR，从而减少光纤非线性效应的影响。

管理色散

• 1. 在工作波段保留一定量的色散，以减小四波混频效应。
• 2. 减少光纤的色散斜率，以扩大WDM系统的工作波长范围，增加波长间隔。
• 3. 减小光纤的偏振模色散，以及尽量减少光纤工作波段上的色散，以适应单信道速率的不断提高。

采用新的调制码型

• 幅度调制： 采用RZ码型调制。
• 相位调制： 如QPSK，属于一种相位多级调制，比特速率是波特速率的两倍，因此非常适合40G以上高速传输系统。QPSK调制具有窄的频谱宽度，输出光谱平滑，能有效抑制光纤的各类非线性效应。

对不同的非线性效应，可以采用如下原则进行抑制：

        所以，非线性失真限制了入纤光率从而缩短了传输距离，影响了系统的色散容限，从而使系统的色散补偿方案变得复杂。怎样减弱光纤的非线性效应已经成为超长距离传输波分系统的关键技术。