隨著增加光信號功率來達(dá)到高比特速率下更長的跨段距離，開始出現(xiàn)信號和硅光纖傳輸媒介之間的非線性相互作用。因此，光纖的非線性特性已經(jīng)在大容量系統(tǒng)和無再生的長路由中成為需要考慮的重要問題。這些非線性特性通常可歸類為散射效應(yīng)（受激布里淵散射和受激拉曼散射）或與克爾效應(yīng)有關(guān)的效應(yīng)，即折射指數(shù)對光強(qiáng)度的依賴性（自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、調(diào)制不穩(wěn)定度、光孤子的形成及四波混頻）。有多個參數(shù)會影響這些非線性效應(yīng)的嚴(yán)重程度，包括光纖的色散特性、光纖的有效面積、多通道系統(tǒng)中通道的數(shù)量和間隔、系統(tǒng)無再生的總長度、光纖特性的縱向均勻程度以及信號強(qiáng)度和光源線寬。

一、受激散射

受激散射發(fā)生的非線性現(xiàn)象有兩種：一是受激布里淵散射，二是受激拉曼散射。

1、受激布里淵散射（SBS）

受激布里淵散射（SBS，Stimulated Brillouin Scattering）是由光纖中的光信號和聲波之間相互作用所引起的非線性現(xiàn)象。SBS表現(xiàn)為當(dāng)光纖注入功率大于受激布里淵散射（SBS）閾值時，SBS將把一種部分輸入光功率轉(zhuǎn)換為后向斯托克斯波，即轉(zhuǎn)化為后向散射光。該后向散射光進(jìn)人光源后，會使激光振蕩產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，使激光波長發(fā)生變化，使激光器對強(qiáng)度噪聲RIN（信噪比）惡化；同時，SBS造成光鏈路損耗增加，使系統(tǒng)信噪比指標(biāo)下降。此外，SBS還將引起系統(tǒng)的復(fù)合二階失真（CSO）惡化，造成系統(tǒng)誤碼。在所有的光纖非線性效應(yīng)中，SBS的閾值最小，在窄線寬情況下可能僅僅只有幾個毫瓦的量級。

目前對SBS的抑制方法有單頻相位調(diào)制法和激光器高頻抖動法。單頻相位調(diào)制法對SBS閾值的提高量可達(dá)到5dB左右，如要進(jìn)一步提高SBS閾值，必須同時采用相位調(diào)制法與激光器高頻抖動法。在系統(tǒng)設(shè)計中必須保證入纖功率不超過SBS閾值。在應(yīng)用加寬淘汰譜線寬方法（SBS閾值隨淘汰譜線寬的寬度增大而增大）抑制SBS效應(yīng)的同時，應(yīng)考慮進(jìn)行色散補(bǔ)償。

2、受激拉曼散射（SRS）

受激拉曼散射（SRS，Stimulated Raman Scattering）是光信號與石英玻璃光纖中的分子振動的相互作用引起的非線性現(xiàn)象。SRS主要表現(xiàn)為當(dāng)光纖注入光功率大于其閾值光功率時，會使光纖發(fā)生向前和向后的散射光，此時光纖就起到拉曼放大器的作用。在拉曼增益帶寬內(nèi)，高頻信道的能量通過受激拉曼散射向低頻信道轉(zhuǎn)移，從而引起低頻信道信號的放大和高頻信道信號的衰減。由于拉曼增益帶寬很寬，信道間距很寬的兩個信道也會受到拉曼散射的影響，因此，SRS限制了光纖通信容量，并產(chǎn)生信道串話。對單信道系統(tǒng)而言，SRS閾值約為1W。抑制SRS可采用的方法有：使用光隔離器來消除后向散射光；通過控制每個信道的功率，使波分復(fù)用信道功率和經(jīng)EDFA（摻鉺光纖放大器）放大后的輸出光強(qiáng)不超過1W，從而有效抑制SRS。

二、折射率擾動

在光功率的作用下，石英玻璃光纖折射率是保持恒定的，但在使用大功率半導(dǎo)體激光器和摻鉺光纖放大器的情況下，光纖獲得的高功率會引起光纖折射率的變化。

折射率擾動引起的四種非線性效應(yīng)為光的克爾效應(yīng)、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻。

1、光的克爾效應(yīng)

光的克爾效應(yīng)即光感應(yīng)的對折射現(xiàn)象。它是在光纖中，由于光纖中光的高功率或外界強(qiáng)電磁脈沖引起的非線性現(xiàn)象，是強(qiáng)光場引起光學(xué)折射率改變的結(jié)果。這一效應(yīng)通過自相位調(diào)制（SPM）來體現(xiàn)，它對光纖的偏振模色散將產(chǎn)生影響。

2、自相位調(diào)制（SPM）

自相位調(diào)制（SPM，Self Phase Modulation）是由一個脈沖對自身相位的作用而引起的。一次脈沖的兩個邊表示一個變時光強(qiáng)，該光強(qiáng)產(chǎn)生一個變時折射率。改變的折射率調(diào)制傳輸?shù)墓饷}沖的光譜。SPM的主要作用是展寬光纖內(nèi)傳輸?shù)墓饷}沖的頻譜。如果這種作用十分強(qiáng)大，那么在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，光譜展寬會重疊進(jìn)入鄰近的信道，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。SPM對系統(tǒng)性能的影響，可通過選用低色散或零色散的光纖來減小。

在某些條件下，SPM是有利的。可利用SPM與激光器啁啾和正的群速度色散（GVD）的相互作用來暫時壓縮傳輸?shù)拿}沖，導(dǎo)致凈啁啾為零，從而形成孤子（光脈沖波形寬度在傳輸過程中始終維持不變）。

3、交叉相位調(diào)制（CPM）

交叉相位調(diào)制（CPM，Cross Phase Modulation）是一個脈沖對其它信道脈沖相位的作用，其產(chǎn)生方式與SPM相同。CPM與SPM所不同的是，SPM發(fā)生在單信道和多信道系統(tǒng)中，而CPM僅出現(xiàn)在多信道系統(tǒng)中。

4、四波混頻（FWM）

四波混頻（FWM，Four Wave Mixing）是指當(dāng)有任意兩個或三個頻距很小的光波f _i、f _j和f _k（k≠i、j）注入光纖時，由于光纖的三階非線性電極化率的相互作用，就會產(chǎn)生頻率為F＝f _ijk＝f _i+f _j-f _k的新光頻分量，并遵守能量守恒和動量守恒定律，其新增波長數(shù)N＝n ₀²（n ₀-1）/2（n ₀為原始波長數(shù)）。

FWM效應(yīng)的作用有兩個方面：一是可利用FWM過程產(chǎn)生的新光頻分量設(shè)計出多種新型光器件，如全光波長變換器、光能復(fù)用器、光相位共軛器及色散補(bǔ)償器等；二是FWM在光密集波分復(fù)用（ODWDM）技術(shù)中，由于信道多而密集，信道間隔小，光功率密度大，致使FWM現(xiàn)象顯著，造成系統(tǒng)的信號功率下降，串音或誤碼率上升，使系統(tǒng)性能變壞。消除或減弱FWM影響的技術(shù)途徑主要有以下表2-4所示的三種。

表2-4：消除或減弱FWM影響的主要技術(shù)途徑

三、ITU的相關(guān)建議

1、G.650.2建議

ITU-T的G.650.2《單模光纖和光纜的統(tǒng)計及非線性相關(guān)屬性的定義和測試方法》給出了單模光纖和光纜的非線性參數(shù)的定義。其中，在其附錄Ⅱ《非線性屬性》中，介紹了有效面積、修正因子k、非線性系數(shù)、受激布里淵散射（SBS）等相關(guān)屬性，具體內(nèi)容詳見下附件3-1。對于其它的非線性效應(yīng)，G.650.2的附錄Ⅱ中引用了G.663建議。

附件：單模光纖和光纜的非線性相關(guān)屬性（G.650.2的附錄Ⅱ）

2、G.663建議

在ITU-T的G.663《光放大器設(shè)備和子系統(tǒng)的應(yīng)用相關(guān)方面》中，其附錄Ⅱ《傳輸?shù)南嚓P(guān)方面》的第3部分給出了“光纖的非線性”。該部分介紹了其它光纖的非線性效應(yīng)，包括四波混頻、調(diào)制不穩(wěn)定度、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、光孤子和受激拉曼散射等內(nèi)容。并且在其最后，還給出了光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)的總結(jié)；和長距離系統(tǒng)趨勢及其對非線性系統(tǒng)懲罰的影響比較。具體分別詳見下表3-2-1和表3-2-2中。

表3-2-1：光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)（表Ⅱ.1/G.663）

表3-2-2：長距離系統(tǒng)趨勢與非線性系統(tǒng)懲罰（表Ⅱ.2/G.663）

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