光纤中的非线性效应的研究.doc

光纤中的非线性效应的研究光纤中的非线性效应研究一、引言进入 21 世纪以来, 随着语音、图像和数据等信息量爆炸式的增长,尤其是因特网的迅速崛起,人们对于信息获取的需求呈现出供不应求的态势。这对通信系统容量和多业务平台的服务质量提出了新的挑战, 也反过来推动了通信技术的快速发展。 1966 年, 美籍华人高锟博士提出可以通过去杂质降低光纤损耗至 20dB/km , 使光纤用于通信成为可能, 从而开启了人类通信史的新纪元。与传统的电通信相比, 光纤通信以其损耗低、传输频带宽、容量大、抗电磁干扰等优势备受业界青睐, 已成为一种不可替代的支撑性传输技术。光纤通信自从问世以来, 就一直向着两个目标不断发展, 一是延长无电中继距离;二是提高传输速率(容量)。随着掺铒光纤放大器( EDFA ) 的大量商用,大大增加了无电中继的传输距离;同时,密集波分复用( DWDM ) 技术的成熟, 极大地增加了光纤中可传输信息的容量, 降低了成本。光纤通信技术正朝着超高速超长距离的方向发展, 并逐步向下一代光网络演进。但随着波分复用信道数的增加, 单通道速率的提高, 光纤的非线性效应成为制约系统性能的主要因素。高速长距离传输必须克服非线性效应的影响。因此, 如何提高光纤传输系统的容量, 增加无电中继的传输距离,克服非线性效应,已经成为光纤通信领域研究的热点。本文详细介绍了在光纤中的几种重要的非线性现象, 引出了非线性折射率相关的自相位调制( SPM )、交叉相位调制( XPM ) 和四波混频( FWM ) 等克尔效应,以及与受激非弹性散射相关的受激喇曼散射( SRS )与受激布里渊散射( SBS )效应。二、光纤的非线性特性在高强度电磁场中, 任何电介质对光的响应都会变成非线性, 光纤也不例外。从其基能级看, 介质非线性效应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电子的非谐振运动有关, 结果导致电耦极子的极化强度 P 对于电场E 是非线性的,但满足通常的关系式 P??0(?(1)?E??(2):EE??(3)?EEE??) 式中, ?0 是真空中的介电常数, ?(j)(j?1,2,?) 阶电极化率,考虑到光的偏振效应, ?(j) 是 j?1 阶张量。线性电极化率?(1) 对P 的贡献是主要的,它的影响包含在折射率 n 和衰减常数α内。二阶电极化率?(2) 对应于二次谐波的产生和频运转等非线性效应。然而, ?(2) 只在某些分子结构非反演对称的介质中才不为零。因为 SiO2 分子是对称结构,因为对石英玻璃?(2) 等于零。所以光纤通常不显示二阶非线性效应,然而电四极矩和磁偶极矩能产生弱的二阶非线性效应,纤芯中的缺陷和色心在某种条件下也对二次谐波的产生发生影响。 非线性折射率光纤中的最低阶非线性效应起源于三阶电极化率?(3) ,它是引起诸如三次谐波产生、四波混频以及非线性折射等现象的主要原因。然而, 除非采取特别的措施实现相位匹配, 牵涉到新频率产生的( 三次谐波的产生或四波混频) 非线性过程在光纤中是不易发生的。因而, 光纤中的大部分非线性效应起源于非线性折射率,而折射率与光强有关的现象是由?(3) 引起的,即光纤的折射率可表示成 22?(w,E)?n(w)?n2En 2 中, n(w) 是折射率, E 为光纤内的光强, n2 是与?(3) 有关的非线性折射率系数 3(3)n2?Re(?????) 8n 式中 Re 表示实数部分,并且假设光场是线偏振的,因而四阶张量只有一个分量(3)????? 对折射率有贡献。?(3) 张量的特性能通过非线性双折射影响光束的偏振特性。折射率与光强的依赖关系导致了大量有趣的非线性效应, 其中研究最广泛的是自相位调制( SPM )和交叉相位调制( XPM )。 SPM 指的是光场在光纤内传输时光场本身引起的相移, 它的大小可以通过记录光场相位的变化得到?0L?n?n2E??nk?2?kL 0 2 式中,,L 是光纤长度。与光强有关的非线性相移?NL?n2k0LE 是由 k0?2?SPMSPM 与超短脉冲的频谱展宽有关,而在光纤的反常色散区与光孤子的存在有关。 XPM 指的是由不同波长、传输方向或偏振态的脉冲共同传输时, 一种光场引起的另一种光场的非线性相移。它的起源可以通过 1?[E1exp(?iwt)?E2exp(?iwt)?.] E?x2 . 表示复共轭, 当两个频率分别为 w1 和 w2 ,x 方向偏振的光波同时在光纤内传输时,频率为 w1 的光场的非线性相移为?NL?n2k0L(E1?2E2) 22 由于相位失配的关系, 这里忽略了频率 w1 和 w2 以外产生极化的所有项。上述公式右边的两项分别由 SPM 和 XPM 引起。 XPM 的一种重要特性是, 对相同强度的光场, XPM 对非线性相移的贡献是