非线性效应及其管理

　　在光通信系统中，增加入纤光功率可以在增加传输距离的同时保持足够大的OSNR。实践表明这会造成各种各样的非线性问题。通常情况下，玻璃材料中的非线性效应非常微弱。但是当光信号在光纤中传输时，由于光纤的芯径非常小，致使光纤中光信号的功率密度很高。此外，传输光纤中的相互作用长度很长（对于LH 为几百公里，对于ULH为几千公里），非线性效应的累积变得非常明显。在所有非线性效应中，源于克尔效应的那些非线性效应，包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）等最容易造成问题。SPM是某光信道激发的光纤非线性折射率对该信道本身产生的附加相位调制，XPM和FWM是某个信道受邻近信道的非线性干扰。这些效应是造成传输代价的主要原因（前面的讨论中暂时忽略了传输代价）。事实上，这些非线性效应（特别是SPM）一直是过去几十年长距离传输研究的重心和焦点。
　　ULH传输链路的特点是具有很大的光纤跨段数NSPAN。因此了解非线性效应与 NSPAN之间的定标率是非常重要的。信道间的非线性效应如XPM和FWM等，其累积与NSPAN的平方根成正比，这一点与噪声等其它随机过程类似。此外，即使对于常规的LHDWDM传输，XPM和FWM只是在小色散光纤（如G.653）中，或某些G.655光纤（如TWC）的长波处较为显著。在最常用的光纤如G.652和LEAF中它们都可以忽略不计。另一方面，作为信号的主要失真机制，SPM随NSPAN的增加呈线性增长。因此在ULH传输中SPM 是最具破坏力的物理效应。定量地说，SPM可以用信号光功率密度产生的光脉冲的相位偏移来描述：ΦSPM＝γPLEFFNSPAN。
　　其中γ是非线性耦合系数，具体数值与光纤类型有关，P是入纤光功率，LEFF是非线性相互作用的有效长度。现在以G.652光纤中传输的10bps、非归零（NRZ）光信号为例说明SPM效应的危害。若NRZ信号的平均入纤光功率是0dBm，则由于SPM效应，“1”脉冲在一个光纤跨段中获得的相移为 ΦSPM＝0.05弧度。对于G.652光纤中的2400km（30×80km）ULH传输，累积的相移约为π/2。对于“0”码，其光功率密度要低很多而不会产生明显的相移。因此在“0”和“1”码之间的过渡处会产生频率调制（啁啾）。假设“0”和“1”码之间的上升沿（下降沿）时间为30皮秒（1皮秒＝1×10－12秒）并忽略色散效应，则在脉冲的上升（下降）沿会产生－8GHz（＋8GHz）的啁啾。如果为了得到更好的OSNR而将入纤光功率增至 3dBm，啁啾将翻倍至－/＋17GHz。若脉冲具有如此大的啁啾，经光纤色散后这些啁啾（频率调制）会转化为强度噪声，造成信号失真，并会导致色散容限窗口严重变窄。
　　通常认为，在非线性相移ΦSPM小于1时，传输系统处于弱非线性区，而在大于1时处于强非线性区。因此对于 G.652光纤，要保证P和NSPAN的乘积小于20mW，使系统工作在弱非线性区。该数字可认为是NRZ传输的非线性容限。在该非线性容限下，传输单个 G.652光纤跨段的最大入纤光功率为20mW（13dBm），传输10个G.652光纤跨段所容许的最大入纤光功率为3dBm。在G.653光纤和某些 G.655光纤（TW和LS）中，主要是由于其光纤芯径较小，其非线性耦合系数大约是G.652光纤的两倍，色散容限也相应减小为G.652光纤的一半，因此在这些光纤上实现ULH传输，技术挑战性更大。
　　其它非线性效应
　　除SPM效应外，其它非线性效应包括交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）、受激布里渊散射（SBS）和受激喇曼散射（SRS）等。
　　当多个不同频率的光束在光纤内同时传播时，每一频率成分的光束会通过光纤的非线性极化率，影响其它频率光束的有效折射率而实现对后者的调制，这就是交叉相位调制。XPM不仅可通过GVD将信号的相位调制转化为强度调制，导致脉冲波形畸变，而且可以引起信道间串扰。信道越密集、传输跨段数越多，XPM效应对DWDM系统的影响越大。
　　FWM效应起源于折射率的光致调制的参量过程。它是指多个两个或三个不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生混频成分，或在边带上产生新的光波效应。当这些混频产物落在信道内，将会引起信道间串扰，导致信噪比降低，一般对中间信道的影响最大。当混频产物落在信道外时，也会给系统带来噪声。FWM效应的产生须满足相位匹配条件，因此在G.655光纤中比较明显，常见抑制方法是降低入纤光功率、采用不等信道间隔等。
　　SRS效应将导致光纤中长波长信号的能量向短波长信号转移。SRS效应是一种宽带效应，即使信道间隔大至 25THz也能产生放大，短波长信道可以逐次泵浦许多较长波长信道，而且这种信道间能量转移和放大作用还与比特图有关，并以光功率串扰的方式降低信号的信噪比，损害系统性能。
　　SBS效应可以将信号光能量转移给频率下移且反向传输的Stokes光。SBS效应不仅给系统带来噪声，而且造成信号的一种非线性损耗，限制入纤光功率的提高，并且降低了系统光信噪比，严重限制传输系统性能提高。SBS效应是一种窄带效应，在光纤中典型的增益带宽约为50MHz，一般由光信号中的载波分量引起，可以采用载波抑制或展宽载波光谱将其抑制。
　　总之，对于光纤非线性效应，一般可通过降低入纤光功率，采用新型大孔径光纤、喇曼放大、色散管理、奇偶信道偏振复用等方法加以抑制。采用特殊的码型调制技术，也可有效提高光脉冲抵抗非线性效应的能力，增加非线性受限传输距离。
　　非线性效应管理：光孤子和色散管理孤子
　　当然，非线性效应也不是完全起有害作用的，例如喇曼放大器就是基于SRS效应实现的。此外，在光孤子和色散管理孤子传输中，也通过合理利用和管理SPM效应从而达到改善和提高传输系统性能的作用。现在对其进行简要介绍。
　　在色散补偿光纤研制出来之前，孤子被认为是实现长距离传输的唯一方式并得以广泛研究。通过严格控制脉冲波形和光功率，光纤传输过程的SPM和色散效应可以完全相互抵消，脉冲可在光纤中传输几十到上万公里而没有任何失真。从这一方面来讲，光孤子传输不受非线性效应的限制，仅受OSNR的限制。由于在大色散光纤中容易激发出显著的Gor?den－Hause抖动，传统光孤子的应用仅限于具有小色散量的光纤（如G.653光纤）。但G.653中的小色散会导致严重的FWM效应，使得在DWDM传输中应用孤子技术变得非常困难。随着DCF的研制成功，色散补偿变得非常简单，光孤子传输的需求也随之消失了。
　　色散补偿和色散管理的实施，又为光孤子传输注入了新的活力。色散管理孤子（DMS）是一种非严格意义上的光孤子，它利用传输光纤的周期性色散补偿，使脉冲的时域波形和频谱形状沿着链路获得周期性恢复。色散管理孤子比等效的常规孤子有更好的性能，通过严格选择色散图谱并将精心控制光纤残余色散，可大大降低 Gorden－Hause抖动和准孤子之间的相互作用，并可对ASE噪音、孤子相互作用等进行控制。理论上讲，DMS比NRZ有8dB的性能提升，但由于实际操作中每一跨段的精确色散补偿有很大的难度，因此基于DMS的DWDM传输系统的性能提升有限，其非线性容限（即P和NSPAN的乘积）约为 40mW，较之常规的NRZDWDM系统，性能仅提升了一倍左右。