光与技术:光纤中的非线性效应是怎么回事?

光在真空中传播时,来自不同来光源的单个波之间不会产生相互的作用。然而,当光在一种材料中传播时,比如说在光纤中传输时,光波就会以各种方式与这材料或者其他光波相互影响。这种相互作用的影响将导致光波本身的变化,并引起不同光波之间的变化。
这就好比几个人一起跑步。跑着跑着,有的人因为赛道上石头(介质)磕到脚了,速度慢下来(功率减弱)。有的人爱总推前面人,导致前面的人速率更快(短波能量向长波转移)。又或者另一跑道的小伙受隔壁小姐姐的美貌吸引,跟她跑一样快(同频同相),不自觉把四赛道变成了五赛道(产生新的波长)。
 
回到光纤介质中,光与光纤中材料的相互作用一般通常比较小,同一光纤上不同信号之间的相互作用也非常小。然而由于信号在光纤上长距离传输,非常小的影响也有机会累积成大的影响。因此,我们所说的非线性效应是指随着光纤中光功率水平的增加而显着性增加的效应。
 
通常,我们认为当光纤的入纤功率不大时,光纤呈现线性特征,当光放大器和高功率激光器在光纤通信系统中使用后,随着入纤功率的增加,光纤的非线性效应将会非常显著,从而对光系统带来很多不好的影响。
 
在这里,非线性效应可以分为弹性效应和非弹性两类。弹性效应,指的是光波与介质相互作用并受其影响,但两者之间没有能量交换,主要与波长和折射率相关,我们也叫它克尔效应。弹性散射的主要例子是四波混频。“非弹性散射”是所涉及的物质和光波之间存在能量转移的地方。受激布里渊散射和受激拉曼散射是此类的示例。
  • 非弹性散射:受激拉曼散射SRS、受激布里渊散射SBS;
  • 弹性散射:克尔效应(自相位调制SPM、交叉相位调制XPM、四波混频FWM)。

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