光纤通信论文

光纤的非线性效应对通信系统传输特性的影响摘要：随着光纤通信系统向超高速、超大容量、超长距离的持续发展，以及光孤子通信系统的实用化，光纤非线性光学的重要性日益突出。

光通信技术的发展史很大程度上就是光纤非线性理论与技术的发展史，自2000年起非线性光纤光学领域更是得到了新的发展。

本文详细讨论了光纤的几种重要的非线性效应，如自相位调制、交叉相位调制、受激喇曼散射、受激布里渊散射、四波混频等，同时分析了这些非线性效应对光纤通信系统传输特性的影响并提出了如何减少其对光纤通信系统传输的影响。

关键字：光纤非线性效应散射通信系统传输相位调制群速度色散正文：在20世纪80年代，系统在设计时通常不考虑非线性效应，因为比特率和链路长度主要受限于光纤损耗和群速度色散（GVD）。

但自20世纪90年代以来，随着光放大器、色散管理和波分复用（WDM）的出现，情况发生了明显的改变，显然，光纤中的非线性效应很大程度的限制了光纤通信系统的性能。

技术的进步使光纤链路长度超过1000km，单信道比特率超过10Gbps。

结果，光纤中的非线性效应成为光波系统优化时最重要的考虑因素。

首先，我们先简要介绍一些光纤通信系统的基本知识。

一、系统基础知识依据对光源调制的信号是模拟信号还是数字信号，光纤通信系统分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统两类。

其中数字光纤通信系统应用更广泛，模拟光纤通信技术目前主要应用于光纤有线电视网。

所有数字光波系统都是以一连串的‘“1”和“0”组成的比特流方式传输信息的。

比特率B 决定每比特的宽度或比特槽，记为1/B T B 。

每个比特“1”通过在比特槽中出现一个光脉冲来表示。

当使用归零码（RZ ）格式时，光脉冲占据整个比特槽。

本文旨在分析一个光比特流在光纤链路传输过程中如何受各种非线性效应的影响。

下面我们通过分别介绍各种非线性效应来分析他们对通信系统传输特性的影响。

二、非线性效应及其对通信系统传输特性的影响在高强度磁场中任何电介质对光的效应都会变成非线性，光纤也是一样。

尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。

光纤的非线性可以分为两类：受激散射效应和折射率扰动。

下面我们就来详细了解这两种非线性效应。

（一）受激散射效应受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象称为受激散射效应。

受激散射效应有两种形式：受激布里渊散射和受激喇曼散射。

这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子（斯托克斯光），同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个能量子。

两种散射的主要区别在于受激喇曼散射的剩余能量转变为光频声子，而受激布里渊散射转变为声频声子；光纤中的受激布里渊散射只发生在后向，受激喇曼散射主要发生在前向。

受激布里渊散射和受激喇曼散射都使得入射光能量降低，在光纤中形成一种损耗机制。

在较低光功率下，这些散射可以忽略。

当入射光功率超过一定阈值后，受激散射效应随入射光功率成指数增加。

这就定义了一个参量，叫做阈值功率。

阈值功率：在长度为L 的光纤输出端因非弹性散射而损耗了50%的输入功率，这个输入功率叫做阈值功率。

1、受激喇曼散射（SRS ）SRS 是非线性光纤光学中一个很重要的非线性过程，它可使光纤成为宽带喇曼放大器和可调谐喇曼激光器，也可使某信道中的能量转移到相邻信道中，从而严重影响多信道光通信系统的性能。

在任何分子介质中，自发拉曼散射将一小部分功率由一个光场转移到另一个频率下移的光场中，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为喇曼效应。

在这个过程中，设入射光的频率为1ω，介质的分子振动频率为v ω，则散射光的频率为1s v ωωω=-和1as v ωωω=+频率为s ω的散射光称作斯托克斯波，频率为as ω的散射光称作反斯托克斯波。

SRS 的特点有以下几个方面：第一，产生前向传输的斯托克斯波；第二，决定斯托克斯波频率下移量的喇曼频移R v 接近13THz ；第三，喇曼增益谱非常宽，覆盖的频率范围大于20THz ；第四，喇曼增益R g 的峰值比布里渊增益的峰值低100倍以上。

喇曼阈值是指当喇曼过程由自发变为受激行为时， 把大部分信号功率转移到斯托克斯波中时的功率水平 gR--喇曼增益 Leff--有效长度故可推得： Aeff--有效面积在使用长光纤的光波系统中，th P 在1.55m μ波长附近约为500mW 。

因为受激布里渊散射的缘故，输入功率被限制在10mW 以下，所以对于单信道光波系统，SRS 通常不予考虑。

对于同时传输信道间隔约为100GHz 的多个信道的WDM 系统来说，情况大不相同。

同样的光纤链路，在多信道传输时要担当喇曼放大器的角色，只要长、短波长差落在喇曼增益带宽内，长波长信道就会被段波长信道放大。

波长最短的信道因能同时泵浦所有其他信道而几乎被耗尽。

这种信道间的能量转移对系统性能是有害的，因为它与比特模式有关，即它只在两个信道同时出现比特“1”时才发生，这两个信道分别作为泵浦信道和信号信道。

信号相关eff R eff th L g A P /16≈R th g w P /)(162πα≈的放大导致功率起伏，这样就会增加接收机噪声，从而降低接收机的性能。

那么有什么方法可以减少SRS 对通信系统的影响呢？第一，如果信道功率减小到整个光纤长度上喇曼放大可以忽略，那么就可以避免喇曼串扰。

此法虽简单但未免不太切合实际。

第二，喇曼串扰对长途WDM 系统容量的限制取决于许多设计参量，如放大器间距、光学滤波器带宽、比特率、信道间隔和总的传输距离等，通过适当的系统设计可以减小SRS 的影响，如减小信道间隔等。

第三，让SRS 在整个链路上存在，但通过频谱反转技术抵消喇曼串扰。

2、受激布里渊散射（SBS ）入射的频率为p ω的泵浦波将一部分能量转移给频率为s ω的斯托克斯波，并发出频率为Ω的声波：p s ωωΩ=-。

SBS 可描述为泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作用。

可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声学声子。

对于窄带信号，SBS 阈值功率th P 可通过以下关系估计：B g --布里渊增益系数对1.55m μ附近波长区的连续信号，th P 可以低到1mW 。

光纤中的受激布里渊散射的阈值功率比受激喇曼散射的低得多。

图一表示当入射的连续波功率从0.5mW 增加到50mW 时，13km 长的色散位移光纤中传输的反射功率（通过SBS 产生）的变化。

在SBS 产生之后，次实验中能通过光纤透射的输出功率不超过3mW 。

图一 输出信号功率（实心圆）和反射的SBS 功率（空心圆）随入射eff B eff th L g A P /21≈功率的变化关系在光纤中，一旦达到受激布里渊散射阈值，将产生大量的后向传输的斯托克斯波，这将对光通信系统产生不良影响。

另一方面，它又可用来构成布里渊放大器和激光器等光纤元件。

在连续波情况下，受激布里渊散射易于产生，因为它的阈值相对较低。

所以为了减少受激布里渊散射对通信系统传输的影响，应使SBS 的阈值增加。

第一，考虑到受激布里渊散射的特点，阈值功率与光源线宽有关，光源线宽越窄，阈值功率越低。

故可以通过增加光源线宽来增大阈值功率。

第二，一旦信号超过阈值水平，SBS 将减小信号功率，SBS 在余下的信号中引入很大的起伏，这会导致信噪比（SNR ）和误码率的劣化。

故应将单信道功率保持在SBS 阈值以下，实际应用中则被限制在10mW 以下。

第三，光纤光栅也可以用于增加SBS 阈值。

将光纤布拉格光栅设计成对前向传输的泵浦波透明，而通过SBS 产生的后向传输的斯托克斯波频谱全部落在光栅的阻带内。

第四，也可通过适当的掺杂使光模和声模之间的交叠最小，从而增加了SBS 阈值。

（二）折射率扰动在入射光功率较低的情况下，可以认为石英光纤的折射率与光功率无关。

但是在较高光功率下，则应考虑光强度引起的光纤折射率的变化，它们的关系为:式中0n 为线性折射率， 2n 为非线性折射率系数，P 为入射光功率，eff A 为光纤有效面积。

折射率扰动主要引起4种非线性效应：自相位调制（SPM ）、交叉相位调制（XPM ）、四波混频（FWM ）和光孤子形成。

下面我们具体讨论前三种非线性效应对光纤通信系统传输特性的影响及改善方法。

1、自相位调制（SPM ）SPM 是指光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用，它导致光脉冲20eff n p n n A =+Pββγ'=+频谱展宽，从而影响系统的性能。

光纤中的传输常数为：γ为光纤中的非线性系数 ，P 是光纤中传输的功率传输L 距离后，产生的非线性相移为：非线性相移与信号功率成比例增大，输入信号功率越大，非线性效应越强。

SPM 不仅随光强而变，而且随时间变化，这种瞬时变化相移将引起光脉冲的频谱展宽，导致在光脉冲的中心两侧出现不同的瞬时光频率，即出现频率啁啾。

由SPM 引起的啁啾通过群速度色散（GVD ）来影响脉冲形状。

SPM 在正常GVD 区会加剧脉冲展宽，而在反常GVD 区会引起脉冲压缩。

由SPM 引起的脉冲光谱展宽增加了信号带宽，从而限制了光纤通信系统的性能。

另一个SPM 感应的限制来自调制不稳定性现象。

当信号在光纤的反常GVD 区传输时，就会发生这种不稳定性。

它可以严重影响周期放大光波系统的性能。

此外，在长途系统中的周期性功率波动形成非线性折射率光栅，这甚至会引起正常GVD 区的调制不稳定性。

通常SPM 仅对具有较高色散或传输距离很长的系统有重要影响。

总的来说，长途系统的性能在光纤链路的平均GVD 保持为正值时更好一些。

2、交叉相位调制（XPM ）当波长不同的两个脉冲在光纤中同时传输时，它们的相位不仅受SPM 的影响，而且也受XPM 的影响。

XPM 效应对波分复用（WDM ）光波系统非常重要，因为每个光信道的相位都依赖于所有其他信道的比特模式。

在多波长系统中（WDM ），光强的变化引起相位的变化，由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。

交叉相位调制（XPM ）是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。

信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的强度或功率，也取决于ineff eff eff in L NL P A L n L P dZ Z P )/2()(20λπγγφ===⎰其他信道信号功率，因而第j 信道的相移可写为：M ：信道总数 Pj ：信道功率（j ＝1～M ）因子2表明在同样功率下XPM 的影响是SPM 的两倍，从式子也能看出XPM 是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的，这样总相移就与所有信道功率和有关，并根据相邻信道比特图形而变化。