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非線性效應是指強光作用下由於介質的非線性極化而產生的效應,包括光學諧波,倍頻,受激啦曼散射,雙光子吸收,飽和吸收,自聚焦,自散焦等。
光纖傳輸的非線性效應
光纖傳輸的衰耗和色散與光纖長度是呈線性變化的,呈線性效應,而帶寬係數與光纖長度呈非線性效應。非線性效應一般在WDM系統上反映較多,在SDH 系統反映較少,因為在WDM 設備系統中,由於合波器、分波器的插入損耗較大,對16 波系統一般相加在10dB 左右,對32 波系統,相加在15dB 左右,因此需採用EDFA進行放大補償,在放大光功率的同時,也使光纖中的非線性效應大大增加,成為影響系統性能,限制中繼距離的主要因數之一,同時,也增加了ASE 等雜訊。
光纖中的非線性效應包括:①散射效應(受激布里淵區散射SBS 和受激拉曼散射SRS 等)、②與克爾效應相關的影響,即與折射率密切相關(自相位調製SPM 、交叉相位調製XPM 、四波混頻效應FWM ),其中四波混頻、交叉相位調製對系統影響嚴重。
A、受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS
從本質上說,任何物質都是由分子、原子等基本組成單元組成。在常溫下,這些基本組成單元在不斷地作自發熱運動和振動。光纖中的受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS 都是激光光波通過光纖介質時,被其分子振動所調製的結果,而且SBS 和SRS都具有增益特性,在一定條件下,這種增益可沿光纖積累。SBS 與SRS 的區別在於,SBS 激發的是聲頻支聲子,SRS激發的是光頻支聲子。受激布里淵散射SBS 產生原理:SBS是光纖中泵浦光與聲子間相互作用的結果,在使用窄譜線寬度光源的強度調製系統中,一旦信號光功率超過受激布里淵散射SBS 的門限時(SBS的門限較低,對於1550nm 的激光器,一般為7~8dBm ),將有很強的前向傳輸信號光轉化為後向傳輸,隨著前向傳輸功率的逐漸飽和,使後向散射功率急劇增加。
在WDM+EDFA 的系統中,注入到光纖中的功率大於SBS 的門限值,會產生SBS 散射。SBS 對WDM系統的影響主要是引起系統通道間的串擾及通道能量的損失。布里淵頻移量在1550nm 處約為10~11GHz ,當WDM系統的通道間隔(即波長間隔)與布里淵頻移量相等時,就會引起通道間的串擾,但目前的WDM 系統,在32 波( 包括32 波)以下時,其通道間隔不小於0.8nm ,既通道間隔不小於100GHz ,可以避免由於SBS 產生的通道串擾,但隨著WDM朝密集方向的發展,通道間隔越來越小,但通道間隔靠近10~11GHz 時,SBS 將成為通道串擾的主要因數。此外,由於SBS會引起一部分通道功率轉移到雜訊上 ,影響功率放大。目前抑制SBS 的措施通常在激光器輸出端加一個低頻調製信號,提高SBS 的門限值。
受激拉曼散射SRS 產生原理:受激拉曼散射SRS是光與硅原子振動模式間相互作用有關的寬頻效應,在任何情況下,短波長的信號總是被這種過程所衰減,同時長波長信號得到增強。
在單通道和多通道系統中都可能發生受激拉曼散射SRS 。僅有一個單通道且沒有線路放大器的系統中,信號功率大於1W時,功率會受到這種現象的損傷,在較寬通道間隔的多通道系統中,較短波長信號通道由於受激拉曼散射SRS,使得一部分光功率轉移到較長波長的信號通道中,從而可能引起信噪比性能的劣化。由於受激拉曼散射SRS激發的是光頻支聲子,其產生的拉曼頻移量比布里淵頻移量大得多,一般在100GHz~200GHz ,且門限值較大,在1550nm處約為27dBm ,一般情況下不會發生。但對於WDM 系統,隨著傳輸距離的增長和復用的波數的增加,EDFA放大輸出的光信號功率會接近27dBm ,SRS 產生的機率會增加。
因G.653 光纖的等效芯經面積小於G.652 光纖,受激拉曼散射SRS 門限值要低於採用G.652 光纖的系統,在G.653光纖上產生SRS 的概率要大。
B、自相位調製SPM和交叉相位調製XPM
光纖中的克爾效應是一種折射率的非線性效應,即光纖中激光強度的變化導致光纖折射率的變化,引起光信號自身的相位調整,這種效應叫做自相位調製。
由於折射率對光強存在依賴關係,在光脈衝持續時間內折射率發生變化,脈衝峰值的相位對於前、后沿來說均是延遲的,這種相移隨著傳輸距離的增加而積累起來,達到一定距離后顯示出相當大的相位調製,從而使光譜展寬導致脈衝展寬,這就稱為自相位調製SPM。在DWDM 系統中,光譜展寬是非常嚴重的,可使一個通道的脈衝光譜與另一個通道的脈衝光譜發生重疊,影響系統的性能。
一般情況下,自相位調製SPM 效應只在超長系統中表現比較明顯,同時在色散大的光纖中也表現比較明顯,所以,採用G.653光纖,且將通道設置在零色散區附近,有利於減小自相位調製效應,對於使用G.652 光纖,且長度小於1000km的系統,可以在適當的間隔進行色散補償的方法來控制自相位調製SPM 效應。
在多波長系統中,一個通道的相位變化不僅與本通道的光強有關,也與其它相鄰通道的光強有關,由於相鄰通道間的相互作用,相互調製的相位變化稱為交叉相位調製XPM。XPM 引起的頻譜展寬度與通道的間隔有關,越小,則產生的效應就越大,反之,則小。XPM 引起的展寬會導致多通道系統中相鄰通道間的干擾。
SPM 和XPM 在色散大的光纖中產生的效應要比在色散小的光纖中產生效應要大,在實際系統中可通過採用色散小的G.653 和G.655光纖來減小SPM 和XPM 效應。
C、四波混頻
四波混頻FWM亦稱四聲子混合,是光纖介質三階極化實部作用產生的一種光波間耦合效應,是因不同波長的兩三個光波相互作用而導致在其它波長上產生所謂混頻產物,或邊帶的新光波,這種互作用可能發生於多通道系統的信號之間,可以產生三倍頻、和頻、差頻等多種參量效應。
在DWDM 系統中,當通道間距與光纖色散足夠小且滿足相位匹配時,四波混頻將成為非線性串擾的主要因數。當通道間隔達到10GHz以下時,FWM 對系統的影響將最嚴重。
四波混頻FWM 對DWDM系統的影響主要表現在:(1)產生新的波長,使原有信號的光能量受到損失,影響系統的信噪比等性能;(2)如果產生的新波長與原有某波長相同或交疊,從而產生嚴重的串擾。四波混頻FWM 的產生要求要求各信號光的相位匹配,當各信號光在光纖的零色散附近傳輸時,材料色散對相位失配的影響很小,因而較容易滿足相位匹配條件,容易產生四波混頻效應。
目前的DWDM 系統的通道間隔一般在100GHz ,零色散導致四波混頻成為主要原因,所以,採用G.653 光纖傳輸DWDM 系統時,容易產生四波混頻效應,而採用G.652 或G.655 光纖時,不易產生四波混頻效應。但G.652 光纖在1550nm 窗口存口存在一定的色散,傳輸10G 信號時,應加色散補償,G.655 光纖在1550nm 窗口的色散很小,適合10GDWDM系統的傳輸。
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