非線性光學(xué)效應(yīng)在光纖通信中的應(yīng)用研究

龍青云，胡素梅

（1.廣東石油化工學(xué)院 計算機與電子信息學(xué)院；2.廣東石油化工學(xué)院 理學(xué)院，廣東茂名525000）

非線性光學(xué)效應(yīng)在光纖通信中的應(yīng)用研究

龍青云1，胡素梅2

（1.廣東石油化工學(xué)院 計算機與電子信息學(xué)院；2.廣東石油化工學(xué)院 理學(xué)院，廣東茂名525000）

為了研究非線性光學(xué)效應(yīng)在光纖通信中的應(yīng)用，首先闡述了非線性光學(xué)的定義，探討了非線性光學(xué)在光纖通信方面的應(yīng)用發(fā)展，指出其研究展望.著重數(shù)值模擬了非線性光學(xué)效應(yīng)在光纖通信中用作光纖拉曼放大器時的物理過程.結(jié)果表明：基于Chraplyvy模型能夠較好地模擬出受激拉曼散射作為光纖拉曼放大器原理的過程，并且其程序運行效率高于采用洛侖茲模型.結(jié)論與文獻(xiàn)相比有新的進(jìn)展,為非線性光學(xué)的進(jìn)一步理論、實驗和應(yīng)用研究提供了參考.

非線性光學(xué)；光纖通信；受激拉曼散射；光纖拉曼放大器

美籍華人、非線性光學(xué)著名專家沈元壤先生曾說：“混沌初開，世界就是非線性的，線性化簡化了復(fù)雜的世界，把世界線性化損失了許多有趣的現(xiàn)象，而非線性現(xiàn)象是世界進(jìn)展的因素”.目前，人們在研究各種非線性光學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出了相關(guān)新理論，并發(fā)展了許多新技術(shù).筆者擬在闡述非線性光學(xué)定義的基礎(chǔ)上，著重探討其在光纖通信方面的一些應(yīng)用發(fā)展，特別是數(shù)值模擬受激拉曼散射作為光纖拉曼放大器原理的物理過程，依此指導(dǎo)其實驗，并對非線性光學(xué)在光纖通信應(yīng)用中的研究前景進(jìn)行了展望.

1 非線性光學(xué)的定義

非線性光學(xué)的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和1929年克爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn).激光問世以后，非線性光學(xué)得以迅猛地發(fā)展：1961年，密歇根大學(xué)的Franken等人在實驗中發(fā)現(xiàn)：紅寶石激光器發(fā)出的波長為6 943埃的激光入射到石英上，產(chǎn)生一條波長為3 471.5埃的新的譜線，即其頻率是入射光的兩倍，這就是所謂光倍頻現(xiàn)象.這與“光通過不同媒質(zhì)時其頻率不變”這一線性光學(xué)結(jié)論是截然不同的.隨后，許多研究者在其它激光實驗中又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了各種非線性光學(xué)新現(xiàn)象：如包括上述光倍頻現(xiàn)象在內(nèi)的、不同頻率的光波之間可以產(chǎn)生能量交換，因而引起頻率轉(zhuǎn)換的各種混頻現(xiàn)象；物質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)等光學(xué)參量與入射光強有關(guān)，因而可產(chǎn)生光束的自聚焦、自散焦、自相位調(diào)制、自感應(yīng)透明等一系列自作用；使各種散射過程轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的受激光散射，如受激拉曼散射、受激布里淵散射；以及多光子吸收，光子回波，光致?lián)舸┑?此外，非線性光學(xué)現(xiàn)象不僅在強光下出現(xiàn)，而且在低功率激光、非相干光作用下仍然存在［1］.人們對這些非線性光學(xué)效應(yīng)不斷進(jìn)行總結(jié)、概括，逐步形成了非線性光學(xué)的理論體系.其中，Bloembergen等人對非線性光學(xué)給出了一個學(xué)術(shù)界公認(rèn)的定義：電極化強度或感應(yīng)電流密度是外加電磁場的一個或幾個電場振幅的二次、三次或多次冪函數(shù).換句話說，也就是電極化率或電導(dǎo)率本身是場的一次、二次或多次冪函數(shù)［1］.即介質(zhì)極化率P與場強E的關(guān)系為：因此非線性光學(xué)效應(yīng)是E的一次方項、以及比其更高次方的項共同起作用所產(chǎn)生的結(jié)果.

2 非線性光學(xué)在光纖通信中的應(yīng)用發(fā)展

近年來，非線性光學(xué)被廣泛地應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、通信、工程及制造工業(yè)等領(lǐng)域，成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的一部分［2-15］.其中，非線性光學(xué)在光纖通信中的應(yīng)用尤為突出.這里主要總結(jié)光子晶體光纖非線性、光孤子通信和光纖的三階非線性效應(yīng)等幾方面的發(fā)展.

首先，光子晶體光纖的非線性引起了廣泛的重視和研究.光子晶體光纖是Russell等人于1992年提出的一種新型光纖.光子晶體的最重要特性是對不同頻率光的傳輸具有選擇性.當(dāng)光子能量和光子晶體能帶相容，則光子晶體呈導(dǎo)通性，光子可以透過光子晶體傳播出去.否則光子不能透過光子晶體，形成光子禁帶.由于光子晶體能夠自由控制光在其中的傳播，而光子又具有許多電子無法比擬的優(yōu)點，所以它具有十分巨大的應(yīng)用前景.目前，在光纖通信領(lǐng)域的一個前沿就是設(shè)計特殊的光子晶體光纖以便獲得理想的非線性，用來制作分立式的光纖通信器件，比如光纖拉曼放大器［11-12,14］.

其次，光孤子通信研究進(jìn)展迅速.光學(xué)孤子是在長距離傳輸過程中保持形狀不變的一種光波，是光纖通信中最理想的信息載體，能實現(xiàn)超長距離、超高速的全光通信，具有很好的應(yīng)用前景.近幾年來學(xué)界對時間孤子、空間孤子及時空孤子進(jìn)行了大量的研究，描述光孤子在各種光纖中傳輸?shù)姆蔷€性孤子方程也得到多種方法的推導(dǎo)和物理闡釋.光孤子通信的實驗探索業(yè)已取得很大進(jìn)展,比如提出利用非線性光纖環(huán)境開關(guān)特性將連續(xù)波同時轉(zhuǎn)化為亮孤子和暗孤子的方法等［7-8］.

再次，光纖中的非線性效應(yīng)（包括拉曼散射、布里淵散射、四波混頻、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制）非常引人注目［8］.前兩者與散射效應(yīng)有關(guān)，后三者與克爾效應(yīng)有關(guān).光纖的非線性效應(yīng)是隨著入纖功率的增加而出現(xiàn)的.以前業(yè)界認(rèn)為光纖的非線性效應(yīng)對光纖通信系統(tǒng)是不利的，它將產(chǎn)生光纖通信系統(tǒng)中的串?dāng)_和信道能量損失.比如，交叉相位調(diào)制是不同波長的光脈沖在光纖中共同傳輸時引起的光場的非線性相移.在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，某信道的交叉相位調(diào)制是其它信道共同作用的結(jié)果，勢必給光纖通信系統(tǒng)帶來噪聲.但是近年來的一個研究前沿便是利用光纖中的非線性效應(yīng)做成光纖放大器、光纖激光器、光纖調(diào)制器和光纖傳感器等新型光纖元器件，并可能在新的系統(tǒng)設(shè)計中得到應(yīng)用.其中，業(yè)界的研究熱點之一便是利用受激拉曼散射過程制作通信線路中的光纖拉曼放大器.

受激拉曼散射是激光與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的受激聲子對入射光的散射.1962年Woodbury和Ng發(fā)現(xiàn)了受激拉曼散射現(xiàn)象，并觀察到大部分的泵浦能量轉(zhuǎn)移到斯托克斯波上［2］，從此，人們對受激拉曼散射進(jìn)行了大量的研究.現(xiàn)已知道如果泵浦光足夠強，那么生成的斯托克斯光又將激起第二級、乃至更高級斯托克斯光，形成級聯(lián)受激拉曼散射.通過相互級聯(lián)的多次拉曼頻移，就能夠?qū)⒈闷止饽芰哭D(zhuǎn)移到所需要的斯托克斯光波長上.這方面的實驗研究較多，理論研究較少［16-17］.因為光纖的拉曼增益系數(shù)譜由實驗測量得出，如圖1所示.可以看出，它覆蓋很寬的范圍［16］，并且無規(guī)則.理論仿真時有兩種方法可以得到各點具體數(shù)值：一種是對圖1進(jìn)行洛侖茲曲線擬合，另一種是采用Chraplyvy模型（見圖1的直線部分［16］）.前期研究文獻(xiàn)［17］采用洛侖茲模型數(shù)值仿真了光纖拉曼放大器放大信號的過程，為了進(jìn)行對比，擬在此基礎(chǔ)上，基于泵浦光和散射光的耦合微分方程，采用Chraplyvy模型描述光纖拉曼增益系數(shù)來數(shù)值模擬受激拉曼散射過程，圖2、圖3、圖4是模擬得到的仿真圖，圖中Ip為泵浦光的光強，Is為散射光的光強.其模擬數(shù)據(jù)同文獻(xiàn)［17］.與文獻(xiàn)［17］不同的是：這里的光纖拉曼增益系數(shù)采用Chraplyvy模型，而文獻(xiàn)［17］采用洛侖茲模型.從模擬圖中可以看出，隨著泵浦光強的增加（分別為4.459、50、100 MW/cm2），拉曼散射光強的峰值從0.1 MW/cm2左右上升至21 MW/cm2左右，繼而上升至60 MW/cm2左右.泵浦光通過這個過程將能量轉(zhuǎn)移給散射光強.在通信線路中，如果信號光處在對應(yīng)泵浦光的散射光強頻譜范圍內(nèi)，則可以在不中斷業(yè)務(wù)的情況下進(jìn)行信號光的“在線式”、“分布式”放大.而且光纖中這個“散射光強”的頻譜范圍很寬，可以得到相比于摻鉺光纖放大器更寬的寬帶放大.這是光纖拉曼放大器成為高速、大容量和超長距離光纖通信系統(tǒng)關(guān)鍵器件的原因，它可以使通信波段向更短的S波段（1 460～1 530 nm）和更長的L波段（1 570～1 610 nm）延伸，而摻鉺光纖放大器僅限于C波段（1 530～1 565nm）的帶寬就顯得無能為力.與文獻(xiàn)［17］進(jìn)行對比可得，雖然Chraplyvy模型沒有洛侖茲模型精確、全面，只是模擬了其中的一段光纖拉曼增益系數(shù)譜，但是數(shù)值模擬的結(jié)果卻是相同的，都能很好地模擬出受激拉曼散射光譜的變化過程，而在程序的運行效率上，采用Chraplyvy模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用洛侖茲模型.這相比于前期研究［17］有較大改進(jìn).

3 非線性光學(xué)在光纖通信應(yīng)用中的研究展望

圖1 光纖拉曼增益系數(shù)譜

圖2 泵浦光強為4.459 MW/cm2的散射光譜

圖3 泵浦光強為50 MW/cm2的散射光譜

圖4 泵浦光強為100 MW/cm2的散射光譜

近年來，隨著云計算網(wǎng)絡(luò)、智能手機和“三網(wǎng)合一”業(yè)務(wù)的急劇增長，作為通信行業(yè)的重要支柱光纖通信業(yè)也在飛速發(fā)展.國家工信部2012年發(fā)布的《通信業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出了“光纖寬帶中國”戰(zhàn)略.非線性光學(xué)效應(yīng)在光纖通信中的應(yīng)用將越來越值得關(guān)注.

在理論方面，非線性光學(xué)效應(yīng)的更深層次物理機制探討仍然是一個當(dāng)前的研究熱點.比如，用量子力學(xué)理論全面闡釋拉曼散射、布里淵散射、四波混頻、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制等過程就是當(dāng)前的前沿.在不中斷通信業(yè)務(wù)的條件下，從量子力學(xué)的薛定諤方程出發(fā)同時建立這些光纖非線性光學(xué)效應(yīng)的全面模型，然后進(jìn)行定量分析，則可以揚長避短，降低光纖通信中的噪聲，同時最大限度地應(yīng)用好各種非線性光學(xué)效應(yīng).

在實驗方面，產(chǎn)生的二次諧波光很弱，這使得它的應(yīng)用受到很大的限制.研究發(fā)現(xiàn)其原因是與非線性光學(xué)材料有關(guān).目前，美國、英國和澳大利亞投入了大量人員、財力研究極化光纖這種材料.三階非線性光學(xué)材料的研究進(jìn)展也很快，在幾種典型的三階非線性光學(xué)材料中，納米團簇材料的非線性光學(xué)特性將成為今后的研究熱點，而準(zhǔn)波導(dǎo)技術(shù)將有可能作為一種新的表征技術(shù)應(yīng)用于非線性光學(xué)材料的研究中［6］.

另外，高速長距離大容量光纖通信系統(tǒng)中，光纖非線性效應(yīng)對通信質(zhì)量的影響日益嚴(yán)重，漸漸成為限制通信系統(tǒng)向更高容量發(fā)展的主要因素.因而在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行有效的非線性效應(yīng)補償，提高信道容量以便適應(yīng)市場需求已成為當(dāng)前光纖通信領(lǐng)域一個熱門的研究方向［18］.同時，利用光纖非線性效應(yīng)制作光纖通信器件的研究更需進(jìn)一步深入展開［19］.

4 結(jié)語

筆者闡述了非線性光學(xué)的定義，探討了非線性光學(xué)在光纖通信中幾方面的應(yīng)用發(fā)展，指出非線性光學(xué)在光纖通信應(yīng)用中的研究展望，重點是數(shù)值模擬了三階非線性光學(xué)效應(yīng)受激拉曼散射作為光纖拉曼放大器原理的物理過程，所得結(jié)論與文獻(xiàn)對比有新的進(jìn)展.這有助于開展受激拉曼散射的實驗工作，也推動非線性光學(xué)在光纖通信應(yīng)用中的進(jìn)一步研究.

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On the application of nonlinear optical effect in optical fiber communication

LONG Qing-yun1，HU Su-mei2
（1.Computer&Communication Department,Guangdong University of Petrochemical Technology；2.School of Sciences,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,Guangdong,China）

In order to study the application of nonlinear optical effect in optical fiber communication,at first, the definition of nonlinear optics is presented.Then,the application development of nonlinear optics in optical fiber communication and its research prospect are discussed.The key point is numeric simulation of the principle of fiber Raman amplifier which is the application of nonlinear optical effect in optical fiber communication.It is found that:stimulated Raman scattering which is the principle of fiber Raman amplifier can be better numeric simulated by Chraplyvy model then Lorentz model in program efficiency.The results are helpful for more study of nonlinear optics.

nonlinear optics;optical fiber communication;stimulated Raman scattering;fiber Raman amplifier

O437；TN929.11

：A

：1007-5348（2014）08-0025-04

（責(zé)任編輯：李 婉）

2014-04-29

廣東省自然科學(xué)基金項目（S2013010012844）；茂名市工農(nóng)業(yè)科技計劃項目（201318）.

龍青云（1982－），女，苗族，湖南綏寧人，廣東石油化工學(xué)院計算機與電子信息學(xué)院講師,碩士,主要從事光纖通信方面研究.