第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 光纤非线性特性中四波混频技术的研究 顾 琦 唐棣芳 上海交通大学技术学院 摘 要四波混频F W M 是光纤中三阶电极化率 X( 3 )使任意两个或三个信道的光波相互作用而产生新的光频原则上可能产生新光频n与其他三个光频的关系为n=i+j-k在 D W D M 系统中由 于 信 道 安 排 一 般 按 频 率 间 距 分 布所 以n=i+j-k的频率组合在光纤传输带宽内且最容易引起串扰特别当信道间距和光纤色散足够小而容易满足 F W M所需条件时F W M的新光频的产生可能造成信号功率的明显下降信噪比劣化更严重的是当混频产物直接落入信道上时产生寄生干扰这种寄生干扰一旦发生时就很难消除的本文主要描述四波混频与光纤的色散信道间隔的关系色散较大时四波混频不容易发生信道间隔较大时四波混频也不容易产生但是色散 D = 0时四波混频的影响并不是最强的虽然 F W M对 D W D M系统会产生相对的干扰但是 F W M也在各个领域有着广泛的应用其中参量放大参量振荡器波长变换就是四波混频技术的重要应用之一 关键词四波混频 光纤色散 信道间隔 1 引 言 光通信技术发展至今虽然 E D F A R a m a n 放大器色散补偿技术很好地解决了一度困扰人们的难题保障了高速大容量长距离干线传输的可靠性但是随着 D W D M技术的发展单通道传输速率从 1 0 G b / s 发展到 4 0 G b / s 甚至更高速率以及光网络向全光化的进展单根光纤中传输的波长越来越多单信道的光功率越来越大全光无电中继传输的距离越来越长随之而来的光纤中一些非需效应i m p a i r m e n t 对光传输的影响就越来越明显其中最主要的就是光纤中的非线性效应由于光纤的二阶非线性极化率为零光纤中的非线性又以四波混频( F W M ) 的影响最大在密集型波分复用传输信号中F W M 是要被避免的但是在一个具体应用中他却能够为光纤器件提供一个有效的技术支持F W M 同时也能够为光纤的非线性离散特性的测量提供了技术基础 研究四波混频技术有着起重要的意义 四波混频是介质中四个光波相互作用所引起的非线性光学现象由于四波混频在所有介质中都能很容易的被观测到而且变换形式第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 很多所以它已得到许多很有意义的应用例如利用四波混频可以把调谐相干光源的频率范围扩展到红外和紫外在简并情况下四波混频可以用于自适应光学中的波前再现在材料研究中共振四波混频技术是非常有效的光谱分析工具等而在我们的生活中就有一种波长变换器是利用了四波混频的特性来实现的 它利用当多数光在非线性介质中传输时由四波混频效应产生的新的波长来实现 2 四波混频产生的原因 在很强的光场作用下 光纤的各种特征参数将随光场强弱而变化非线性光学效应是强光场和物质相互作用由于非线性极化所产生的一些现象 F W M 四波混频亦称四声子混合是在因不同波长的两三个光波互相作用而导致在其他波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的情况下产生的这些光会影响正常的通信这种非线性光学应称为四波混频当信道间距相等时这种寄生的边带将引起信道串扰当色散接近零时 F W M 的影响较大 从量子力学术语中一个或几个光波的光子被湮灭同时产生了几个不同频率的新光子且在此参量作用过程中净能量和动量是守恒的这样的过程就称为四波混频 根据非线性电场方程表达式 +=42 32 22 142 4)3( 0 4(243EEEEEEXPXXX +.)exp(2)exp(2* 321321iEEEiEEE ( 1 ) 其中 ()()12341234kkkkzt+=+2 ()()12341234kkkkzt=+( 3 ) 方程( 1 ) 中有两项四波混频项含有的项对应三个光子合成一个光子的情况新光子的频率为41+2+3当123时这一项对应于三次谐波当123时它对应频率转换通常要满足其相位匹配条件在光纤中高效地实现这些过程是很困难的 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 方程( 1 ) 中含的项对应频率为12的两个光子的湮灭同时产生两个频率为3和4的新光子的情况即 3412+=+使此过程进行的必要条件是相位匹配条件要求k = 0 即 ()341233441222/0kkkkknnnnc =+=+=4 在12的特定条件下满足k = o 相对容易一些光纤中的 F W M 大多数属于这种部分简并情况 3 四波混频相互作用方式 四波混频相互作用的方式一般可分为三类 3 . 1 三个泵浦场作用的情况 在这种情况下作用的光波频率为12和3得到信号光波频率为s这是最一般的三阶非线性效应 图 1 三个泵浦场作用的情况 3 . 2 输出光与一个输入光具有相同模式的情况 在这种情况下例如输入信号光为 Es 0= E3 0s=3则由于三阶非线性相互作用的结果E3将获得增益或衰减 E1 E3 ES= E3 E2 Es E1 E2 E3 第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 图 2 输出光与一个输入光具有相同模式的情况 3 . 3 后向参量放大和振荡 这是四波混频中的一种特殊情况其中两个强光波作为泵浦光场而两个反向传播的弱波得到放大这与二阶非线性过程中的参量放大相似其差别只是这里是两个而不是一个泵浦光场两个弱光分别是信号光波和空闲光波在一般情况下信号光和空闲光会产生振荡 E1 Ei( 0 ) Ei( L ) Es( 0 ) Es( L ) E2 图 3 后向参量放大和振荡 4 不同光纤中 F W M及其对 D W D M系统的影响 通常F W M效率取决于通道间隔和光纤色散通道间隔越窄光纤色散越小不同光波间相位匹配就越好F W M 越高影响也越重 4 . 1 G . 6 5 2 光纤 G . 6 5 2 光纤即常规 S M F 光纤它有两个应用窗口1 3 1 0 n m 和 1 5 5 0 n m 其中 1 5 5 0 n m窗口有较高的色散系数 2 0 p s / n m . k m) , 此处四波混频的效率较低 从这一点上看 G . 6 5 2光纤的 1 5 5 0 n m 窗口是最有利于 D W D M 系统要求的当然色散系数越大高比特系统的传输中继距离越短从这一点上看又不利于高比特率系统的波长复用G . 6 5 2单模光纤在波段 1 5 3 0 1 5 6 5 n m和波段 1 5 6 5 1 6 2 5 n m的色散较大一般为 1 7 2 2 p s /n m k m系统速率达到 2 . 5 G b / s 以上时需要进行色散补偿在 1 0 G b / s 时系统色散补偿成本较大它是目前传输网中最为普遍的一种光纤 4 . 2 G . 6 5 3 光纤 G . 6 5 3 光纤又称为色散位移光纤 D S F 这种光纤是通过改变折射率的分布将1 3 1 0 n m附近的零色散点位移到 1 5 5 0 n m附近从而使光纤的低损耗窗口与零色散窗口重合的一种光纤由于该光纤在 1 5 5 0 n m 附近的色散系数极小趋近于零当用于 D W D M 时不同第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 通道光波之间的相位匹配很好四波混频F W M 效率很高会产生非常严重的干扰因此虽然此类光纤可以在 1 5 5 0 n m 波长的工作中毫无困难地开通长距离 1 0 G b / s 系统是最佳地应用于单波长远距离传输的光纤但 G . 6 5 3光纤仍不适合 D W D M系统G . 6 5 3色散位移光纤在波段和波段的色散一般为- 1 3 . 5 p s / n m k m在 1 5 5 0 n m 是零色散, 系统速率可达到 2 0 G b / s 和 4 0 G b / s , 是单波长超长距离传输的最佳光纤 4 . 3 G . 6 5 5 光纤 G . 6 5 5光纤又称作非零点色散位移光纤N Z D S F , 它是针对 G . 6 5 2光纤和 G . 6 5 3光纤在 D W D M 系统使用中存在的问题而开发出来的 使 1 5 5 0 n m 窗口同时具有了最小色散和最小衰减由于该光纤在 1 5 5 0 n m 窗口的色散系数不为零I T U - T G . 6 5 5 建议中要求色散的绝对值为 1 . 0 6 . 0 p s / n m 可以避免四波混频影响 较好地服务于 D W D M 系统 G . 6 5 5非零色散位移光纤在波段的色散为1 6 p s /n mk m 在波段的色散一般为6 1 0 p s /n m k m色散较小避开了零色散区既抑制了四波混频 F W M 可采用 D W D M 扩容也可以开通高速系统 当 D W D M 系统的波长通路密度增加时F W M 形成的串路成为重要的问题 1 如增加每路的光功率F W M 变得更剧烈 2 如果减少每路馈入光功率为使信号能被可靠地检测则实际光纤长度减少可能需要光放大光放大会增大成本来扩展光通道 3 如果增加通路波长密度或减少通路间隔F W M 会变得更剧烈 考虑简单的三通道的 W D M 系统假设1= 1 5 5 1 . 7 n m2= 1 5 5 2 . 5 n m3= 1 5 5 3 . 3 n m发生 F W M将产生 9个新频率信号其中有 3个1 5 5 1 . 7 2 1 5 5 2 . 5 2 1 5 5 3 . 3 2 n m F W M信号将附加在原来信道上 对于 I M / D D 系统考虑由 M 个在线放大器每信道功率 Pi相等频率分别为ijk的 3 个信道相互作用产生 F W M 的频率N其功率 PN和 F W M 的效率为 ( 5 ) 6 式中L 是放大器中继距离D 是色散系数简并因子对于二波混频和三波混频分别( )( ) ()() ()236422 0222221024exp4sin/21 1eff Nijk effLLLPLPP PLncAeLe =+第五届中国光通信论坛暨光通信论坛 15ps/nm km100GHz 0.3ps/nm km 混频效率 为 3 6 而相位配因子用频率差表示为 Dc=0201227 式中D 为在0上的光纤色散系数p s / ( k m n m )从上两式还可以看出F W M 的效率与成反比而主要取决于信号的频率间隔和光纤的色散下图给出了和信号有效频率间距 Se f f的定性关系 由图 4 可以看出如果光纤的色散较大例如工作波长在 1 . 5 5 m 波段的普通单模光纤 当信道频率间距大于 1 0 G H z 时 混频频率降低到几乎可忽略 当光纤色散较小时例如工作波段在 1 . 5 5 m 波段的零色散位移光纤 即使信道间距为 1 0 0 G H z 混频效率还相当高由此可见如果光纤的零色散点选择在0上则相位匹配条件容易得到满足所以 W D M 系统的信道应避免分布在0附近且光纤色散越大越有利于抑制 F W M 效应因此虽然零色散位移光纤能有效地克服色散对系统的限制 但不适合作为 1 . 5 5 m 波段W D M 系统的传输介质 图4 5 影响四波混频的因素 考虑三个光波频率 f1f2和 f3相隔很近就波长而言由于三者的相互作用产生了第四个光波频率 ff w m即 ff w m= f1+ f2- f3这就称为四波混频F W M 或四光子混频频率的次序是 f1fF w