光纤非线性产生的交叉相位调制的分析和研究

《光纤非线性产生的交叉相位调制的分析和研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第17卷增刊2006年6月辫电子·激并Journalof0pfDeZPcfrDnfcs·LaserV01．17Suppl．2006光纤非线性产生的交叉相位调制的分析和研究倪月秋，唐棣芳(上海交通大学技术学院)摘要：交叉相位调制是一种很重要的非线性光学效应，本文详细地讨论了光纤非线性产生的交叉相位调制(XPM)，并对其在光纤通信中的应用进行了剖析。关键词：光纤；非线性效应；交叉相位调制AnalysisofXPMCausedbyNonlinearEffectsinOpticalFibersNiYue—qiu，Ta

2、ngDi—fangAbstract：Cross—phasemodulation(XPM)isanimportantnonlineareffect．Thepaperdis—cussedsindetailtheprinciplesofXPMcausedinopticalfibers，aswellasitsapplica～tionsinopticalfibercommunications．Keywords：opticalfiber；nonlineareffect；cross—phasemodulation(XPM)

3、1引言在现行通信体制下，光纤是作为线性导波介质工作的，因此称现行的通信系统为线性系统。在这种情况下光纤的任何非线性效应都是有害的。例如，光纤中的受激散射(受激喇曼散射，受激布里渊散射)效应、自相位调制和交叉相位调制效应、四波混频效应等等，都会导致光纤传输特性的劣化，使信噪比降低，信号失真等。对于现行系统，这种状况几乎是不可能改变的，从这个意义上讲现行系统中的光纤是一种被动性传输介质。研究发现，光纤的多数非线性效应都可能用于改进通信的质量，也就是促成光纤的非线性变为光纤的主动性。例如，利用光纤中的受激散射引致喇

4、曼放大或布里渊放大作用，制作出分布型光纤放大器；利用光纤的自相位调制效应补偿光纤的色散，实现光孤子的传输等等。在这种情况下，线性通信系统转化为非线性通信系统。理论和实验已经证明，非线性系统比线性系统具有更好的通信性能，其通信容量大大超过线性系统，而且具有进一步挖掘的潜力，因此成为光纤通信的研究热点。2光纤非线性效应的产生光与物质(包括光纤介质)相互作用都会产生各种各样的物理效应，一般讲，产生这些效应的物理机制均可归究于介质的极化作用。现代理论认为光作用于介质，介质的电极化强度与入射光场强度并不成式(1)所示简

5、单的线性关系P—mE(1)式中系数X为介质的电极化率，e是真空中介电常数，E为入射光场强而是成式(2)所示的幂级数关系，P—e[z¨’E+z‘2’EE+z∞’EEE+⋯](2)式中z“’，z佗’和z∞’分别为介质的一阶(线性)，二阶(非线性)，三阶(非线。1生-)电极化率。由于z化’、z”1．⋯一相对于z¨’来说比较小，在E不是很大的情况下可以省略T汜’EE与z‘3’EE等各项而成为线性关系。而如今的光纤通信都朝着大容量、长距离方向发展，要想使传输的距离更远，一个有效的方法就是增加入纤光功率，同时又由于科技的

6、发展，激光器的输出功率做得越来越大，由式(2)可知，E的加大使得z∽’EE和．17‘3’EEE等各项不能忽略，因此便出现了非线性关系。而且尽管石英材料本身并不是一种非线性材料，但光纤的结构使得光波以较高的能量沿很长的光纤聚集在很小的截面上，形成十分重要的非线性现象。在光纤中由于芯径很细，损耗又极低，因此高阶极化所占的比例大幅度增加，以致达到不可忽·126略的程度。令光纤中的光强为，，有：工一三(3)COTt"0。E为入射光功率，再令光场与介质的作用长度为Leff，进而可以算出：[儿彤]。块状介质)一1一A，¨

7、[儿州](光纤介质)》丌叫ja”’靠代表光纤中极化强度的加强因子。例如，b一100，则表示在相同条件下光纤中较之一般块状介质中产生的极化强度增大100倍，就是说，在一般介质中，例如需要1W的光方能出现明显的高阶极化。而在光纤中则只要10mW的光功率就可以了(实际上对于Q一5×10_7(相当于0．2dB／km)，入一1550nm的通信光纤，增强因子可达109)。因此尽管人纤功率很低，非线性极化作用也常常不容忽视。3交叉相位调制单模光纤中的交叉相位调制效应(XPM)是这样一种现象：当两列或多列波长(或偏振态)不相

8、同的光波在非线性介质中同时传播时，每列光波的存在都会导致与其光强有关的光纤折射率的变化，这种由光强引起的光纤折射率的变化会使得其它与之共同传输的光波产生非线性相移，从而导致各波相互之间的相位调制。XPM是一种很重要的非线性效应，在光纤通信系统及其它领域都有广泛的应用，如光开关、光脉冲压缩、超短光脉冲串的产生、光传感器、光强度检测器等。与传统电子器件相比，利用XPM效应制成的这些光学器件具有体积小、重