隨著增加光信號功率來達到高比特速率下更長的跨段距離，開始出現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在大容量系統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（受激布里淵散射和受激拉曼散射）或與克爾效應有關的效應，即折射指數對光強度的依賴性（自相位調制、交叉相位調制、調制不穩定度、光孤子的形成及四波混頻）。有多個參數會影響這些非線性效應的嚴重程度，包括光纖的色散特性、光纖的有效面積、多通道系統中通道的數量和間隔、系統無再生的總長度、光纖特性的縱向均勻程度以及信號強度和光源線寬。

一、受激散射

受激散射發生的非線性現象有兩種：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象。SBS表現為當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換為后向斯托克斯波，即轉化為后向散射光。該后向散射光進人光源后，會使激光振蕩產生不穩定現象，使激光波長發生變化，使激光器對強度噪聲RIN（信噪比）惡化；同時，SBS造成光鏈路損耗增加，使系統信噪比指標下降。此外，SBS還將引起系統的復合二階失真（CSO）惡化，造成系統誤碼。在所有的光纖非線性效應中，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制法和激光器高頻抖動法。單頻相位調制法對SBS閾值的提高量可達到5dB左右，如要進一步提高SBS閾值，必須同時采用相位調制法與激光器高頻抖動法。在系統設計中必須保證入纖功率不超過SBS閾值。在應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效應的同時，應考慮進行色散補償。

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象。SRS主要表現為當光纖注入光功率大于其閾值光功率時，會使光纖發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，高頻信道的能量通過受激拉曼散射向低頻信道轉移，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，并產生信道串話。對單信道系統而言，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，使波分復用信道功率和經EDFA（摻鉺光纖放大器）放大后的輸出光強不超過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為光的克爾效應、自相位調制、交叉相位調制和四波混頻。

1、光的克爾效應

光的克爾效應即光感應的對折射現象。它是在光纖中，由于光纖中光的高功率或外界強電磁脈沖引起的非線性現象，是強光場引起光學折射率改變的結果。這一效應通過自相位調制（SPM）來體現，它對光纖的偏振模色散將產生影響。

2、自相位調制（SPM）

自相位調制（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，該光強產生一個變時折射率。改變的折射率調制傳輸的光脈沖的光譜。SPM的主要作用是展寬光纖內傳輸的光脈沖的頻譜。如果這種作用十分強大，那么在密集波分復用系統中，光譜展寬會重疊進入鄰近的信道，從而嚴重影響系統性能。SPM對系統性能的影響，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的脈沖，導致凈啁啾為零，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、交叉相位調制（CPM）

交叉相位調制（CPM，Cross Phase Modulation）是一個脈沖對其它信道脈沖相位的作用，其產生方式與SPM相同。CPM與SPM所不同的是，SPM發生在單信道和多信道系統中，而CPM僅出現在多信道系統中。

4、四波混頻（FWM）

四波混頻（FWM，Four Wave Mixing）是指當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N＝n ₀²（n ₀-1）/2（n ₀為原始波長數）。

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

表2-4：消除或減弱FWM影響的主要技術途徑

三、ITU的相關建議

1、G.650.2建議

ITU-T的G.650.2《單模光纖和光纜的統計及非線性相關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、受激布里淵散射（SBS）等相關屬性，具體內容詳見下附件3-1。對于其它的非線性效應，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《光放大器設備和子系統的應用相關方面》中，其附錄Ⅱ《傳輸的相關方面》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，包括四波混頻、調制不穩定度、自相位調制、交叉相位調制、光孤子和受激拉曼散射等內容。并且在其最后，還給出了光纖中的非線性光學效應的總結；和長距離系統趨勢及其對非線性系統懲罰的影響比較。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效應（表Ⅱ.1/G.663）

表3-2-2：長距離系統趨勢與非線性系統懲罰（表Ⅱ.2/G.663）

欲詳細了解ITU-T G.663建議書具體內容的請進入。

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