光纤传输的非线性效应

2005/3/7/11:23    光纤传输的衰耗和色散与光纤长度呈线性变化的，呈线性效应，而带宽系数与光纤长度呈非线性效应。非线性效应一般在WDM 系统上反映较多，在SDH 系统反映较少，因为在WDM 设备系统中，由于和波器、分波器的插入损
耗较大，对16 波系统一般相加在10dB 左右，对32 波系统，相加在15dB 左右，因此需采用EDFA 进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应大大增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因数之一，同时，也增加了ASE 等噪声。

　　光纤中的非线性效应包括：①散射效应（受激布里渊散射SBS 和受激拉曼散射SRS 等）、②与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关（自相位调制SPM 、交叉相位调制XPM 、四波混频效应FWM ），其中四波混频、交叉相位调制对系统影响严重。

    A、受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS

　　从本质上说，任何物质都是由分子、原子等基本组成单元组成。在常温下，这些基本组成单元在不断地作自发热运动和振动。光纤中的受激布里渊散射SBS 和受激拉曼散射SRS 都是激光光波通过光纤介质时，被其分子振动所调制的结果，而且SBS 和SRS 都具有增益特性，在一定条件下，这种增益可沿光纤积累。SBS 与SRS 的区别在于，SBS 激发的是声频支声子，SRS 激发的是光频支声子。

　　受激布里渊散射SBS 产生原理：SBS 是光纤中泵浦光与声子间相互作用的结果，在使用窄谱线宽度光源的强度调制系统中，一旦信号光功率超过受激布里渊散射SBS 的门限时（SBS 的门限较低，对于1550nm 的激光器，一般为7~8dBm ），将有很强的前向传输信号光转化为后向传输，随着前向传输功率的逐渐饱和，使后向散射功率急剧增加。

　　在WDM+EDFA 的系统中，注入到光纤中的功率大于SBS 的门限值，会产生SBS 散射。SBS 对WDM 系统的影响主要是引起系统通道间的串扰及信道能量的损失。布里渊频移量在1550nm 处约为10~11GHz ，当WDM 系统的信道间隔（即波长间隔）与布里渊频移量相等时，就会引起信道间的串扰，但目前的WDM 系统，在32 波( 包括32 波) 以下时，其信道间隔不小于0.8nm ，既信道间隔不小于100GHz ，可以避免由于SBS 产生的信道串扰，但随着WDM 朝密集方向的发展，信道间隔越来越小，但信道间隔靠近10~11GHz 时，SBS 将成为信道串扰的主要因数。此外，由于SBS 会引起一部分信道功率转移到噪声上 ，影响功率放大。目前抑制SBS 的措施通常在激光器输出端加一个低频调制信号，提高SBS 的门限值。

　　受激拉曼散射SRS 产生原理：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。

　　在单信道和多信道系统中都可能发生受激拉曼散射SRS 。仅有一个单信道且没有线路放大器的系统中，信号功率大于1W 时，功率会受到这种现象的损伤，在较宽信道间隔的多信道系统中，较短波长信号通道由于受激拉曼散射SRS ，使得一部分光功率转移到较长波长的信号信道中，从而可能引起信噪比性能的劣化。由于受激拉曼散射SRS 激发的是光频支声子，其产生的拉曼频移量比布里渊频移量大得多，一般在100GHz~200GHz ，且门限值较大，在1550nm 处约为27dBm ，一般情况下不会发生。但对于WDM 系统，随着传输距离的增长和复用的波数的增加，EDFA 放大输出的光信号功率会接近27dBm ，SRS 产生的机率会增加。

　　因G.653 光纤的等效芯经面积小于G.652 光纤，受激拉曼散射SRS 门限值要低于采用G.652 光纤的系统，在G.653 光纤上产生SRS 的概率要大。

    B、自相位调制SPM和交叉相位调制XPM

　　光纤中的克尔效应是一种折射率的非线性效应，即光纤中激光强度的变化导致光纤折射率的变化，引起光信号自身的相位调整，这种效应叫做自相位调制。

　　由于折射率对光强存在依赖关系，在光脉冲持续时间内折射率发生变化，脉冲峰值的相位对于前、后沿来说均是延迟的，这种相移随着传输距离的增加而积累起来，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使光谱展宽导致脉冲展宽，这就称为自相位调制SPM 。在DWDM 系统中，光谱展宽是非常严重的，可使一个信道的脉冲光谱与另一个信道的脉冲光谱发生重叠，影响系统的性能。

　　一般情况下，自相位调制SPM 效应只在超长系统中表现比较明显，同时在色散大的光纤中也表现比较明显，所以，采用G.653 光纤，且将信道设置在零色散区附近，有利于减小自相位调制效应，对于使用G.652 光纤，且长度小于1000km 的系统，可以在适当的间隔进行色散补偿的方法来控制自相位调制SPM 效应。

　　在多波长系统中，一个信道的相位变化不仅与本信道的光强有关，也与其它相邻信道的光强有关，由于相邻信道间的相互作用，相互调制的相位变化称为交叉相位调制XPM 。XPM 引起的频谱展宽度与信道的间隔有关，越小，则产生的效应就越大，反之，则小。XPM 引起的展宽会导致多信道系统中相邻信道间的干扰。

　　SPM 和XPM 在色散大的光纤中产生的效应要比在色散小的光纤中产生效应要大，在实际系统中可通过采用色散小的G.653 和G.655 光纤来减小SPM 和XPM 效应。

    C、四波混频

　　四波混频FWM 亦称四声子混合，是光纤介质三阶极化实部作用产生的一种光波间耦合效应，是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物，或边带的新光波，这种互作用可能发生于多信道系统的信号之间，可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应。

    在DWDM 系统中，当信道间距与光纤色散足够小且满足相位匹配时，四波混频将成为非线性串扰的主要因数。当信道间隔达到10GHz 以下时，FWM 对系统的影响将最严重。

　四波混频FWM 对DWDM 系统的影响主要表现在：(1)产生新的波长，使原有信号的光能量受到损失，影响系统的信噪比等性能；(2)如果产生的新波长与原有某波长相同或交叠，从而产生严重的串扰。四波混频FWM 的产生要求要求各信号光的相位匹配，当各信号光在光纤的零色散附近传输时，材料色散对相位失配的影响很小，因而较容易满足相位匹配条件，容易产生四波混频效应。

　　目前的DWDM 系统的信道间隔一般在100GHz ，零色散导致四波混频成为主要原因，所以，采用G.653 光纤传输DWDM 系统时，容易产生四波混频效应，而采用G.652 或G.655 光纤时，不易产生四波混频效应。但G.652 光纤在1550nm 窗口存口存在一定的色散，传输10G 信号时，应加色散补偿，G.655 光纤在1550nm 窗口的色散很小，适合10GDWDM 系统的传输。