非线性光学效应在光纤通信中的应用研究

龙青云，胡素梅

（1.广东石油化工学院 计算机与电子信息学院；2.广东石油化工学院 理学院，广东茂名525000）

非线性光学效应在光纤通信中的应用研究

龙青云1，胡素梅2

（1.广东石油化工学院 计算机与电子信息学院；2.广东石油化工学院 理学院，广东茂名525000）

为了研究非线性光学效应在光纤通信中的应用，首先阐述了非线性光学的定义，探讨了非线性光学在光纤通信方面的应用发展，指出其研究展望.着重数值模拟了非线性光学效应在光纤通信中用作光纤拉曼放大器时的物理过程.结果表明：基于Chraplyvy模型能够较好地模拟出受激拉曼散射作为光纤拉曼放大器原理的过程，并且其程序运行效率高于采用洛仑兹模型.结论与文献相比有新的进展,为非线性光学的进一步理论、实验和应用研究提供了参考.

非线性光学；光纤通信；受激拉曼散射；光纤拉曼放大器

美籍华人、非线性光学著名专家沈元壤先生曾说：“混沌初开，世界就是非线性的，线性化简化了复杂的世界，把世界线性化损失了许多有趣的现象，而非线性现象是世界进展的因素”.目前，人们在研究各种非线性光学效应的基础上，提出了相关新理论，并发展了许多新技术.笔者拟在阐述非线性光学定义的基础上，着重探讨其在光纤通信方面的一些应用发展，特别是数值模拟受激拉曼散射作为光纤拉曼放大器原理的物理过程，依此指导其实验，并对非线性光学在光纤通信应用中的研究前景进行了展望.

1 非线性光学的定义

非线性光学的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效应的发现和1929年克尔效应的发现.激光问世以后，非线性光学得以迅猛地发展：1961年，密歇根大学的Franken等人在实验中发现：红宝石激光器发出的波长为6 943埃的激光入射到石英上，产生一条波长为3 471.5埃的新的谱线，即其频率是入射光的两倍，这就是所谓光倍频现象.这与“光通过不同媒质时其频率不变”这一线性光学结论是截然不同的.随后，许多研究者在其它激光实验中又陆续发现了各种非线性光学新现象：如包括上述光倍频现象在内的、不同频率的光波之间可以产生能量交换，因而引起频率转换的各种混频现象；物质的折射率和吸收系数等光学参量与入射光强有关，因而可产生光束的自聚焦、自散焦、自相位调制、自感应透明等一系列自作用；使各种散射过程转变为相应的受激光散射，如受激拉曼散射、受激布里渊散射；以及多光子吸收，光子回波，光致击穿等.此外，非线性光学现象不仅在强光下出现，而且在低功率激光、非相干光作用下仍然存在［1］.人们对这些非线性光学效应不断进行总结、概括，逐步形成了非线性光学的理论体系.其中，Bloembergen等人对非线性光学给出了一个学术界公认的定义：电极化强度或感应电流密度是外加电磁场的一个或几个电场振幅的二次、三次或多次幂函数.换句话说，也就是电极化率或电导率本身是场的一次、二次或多次幂函数［1］.即介质极化率P与场强E的关系为：因此非线性光学效应是E的一次方项、以及比其更高次方的项共同起作用所产生的结果.

2 非线性光学在光纤通信中的应用发展

近年来，非线性光学被广泛地应用于物理、化学、生物、医学、通信、工程及制造工业等领域，成为现代科学技术中不可缺少的一部分［2-15］.其中，非线性光学在光纤通信中的应用尤为突出.这里主要总结光子晶体光纤非线性、光孤子通信和光纤的三阶非线性效应等几方面的发展.

首先，光子晶体光纤的非线性引起了广泛的重视和研究.光子晶体光纤是Russell等人于1992年提出的一种新型光纤.光子晶体的最重要特性是对不同频率光的传输具有选择性.当光子能量和光子晶体能带相容，则光子晶体呈导通性，光子可以透过光子晶体传播出去.否则光子不能透过光子晶体，形成光子禁带.由于光子晶体能够自由控制光在其中的传播，而光子又具有许多电子无法比拟的优点，所以它具有十分巨大的应用前景.目前，在光纤通信领域的一个前沿就是设计特殊的光子晶体光纤以便获得理想的非线性，用来制作分立式的光纤通信器件，比如光纤拉曼放大器［11-12,14］.

其次，光孤子通信研究进展迅速.光学孤子是在长距离传输过程中保持形状不变的一种光波，是光纤通信中最理想的信息载体，能实现超长距离、超高速的全光通信，具有很好的应用前景.近几年来学界对时间孤子、空间孤子及时空孤子进行了大量的研究，描述光孤子在各种光纤中传输的非线性孤子方程也得到多种方法的推导和物理阐释.光孤子通信的实验探索业已取得很大进展,比如提出利用非线性光纤环境开关特性将连续波同时转化为亮孤子和暗孤子的方法等［7-8］.

再次，光纤中的非线性效应（包括拉曼散射、布里渊散射、四波混频、自相位调制、交叉相位调制）非常引人注目［8］.前两者与散射效应有关，后三者与克尔效应有关.光纤的非线性效应是随着入纤功率的增加而出现的.以前业界认为光纤的非线性效应对光纤通信系统是不利的，它将产生光纤通信系统中的串扰和信道能量损失.比如，交叉相位调制是不同波长的光脉冲在光纤中共同传输时引起的光场的非线性相移.在密集波分复用系统中，某信道的交叉相位调制是其它信道共同作用的结果，势必给光纤通信系统带来噪声.但是近年来的一个研究前沿便是利用光纤中的非线性效应做成光纤放大器、光纤激光器、光纤调制器和光纤传感器等新型光纤元器件，并可能在新的系统设计中得到应用.其中，业界的研究热点之一便是利用受激拉曼散射过程制作通信线路中的光纤拉曼放大器.

受激拉曼散射是激光与物质相互作用所产生的受激声子对入射光的散射.1962年Woodbury和Ng发现了受激拉曼散射现象，并观察到大部分的泵浦能量转移到斯托克斯波上［2］，从此，人们对受激拉曼散射进行了大量的研究.现已知道如果泵浦光足够强，那么生成的斯托克斯光又将激起第二级、乃至更高级斯托克斯光，形成级联受激拉曼散射.通过相互级联的多次拉曼频移，就能够将泵浦光能量转移到所需要的斯托克斯光波长上.这方面的实验研究较多，理论研究较少［16-17］.因为光纤的拉曼增益系数谱由实验测量得出，如图1所示.可以看出，它覆盖很宽的范围［16］，并且无规则.理论仿真时有两种方法可以得到各点具体数值：一种是对图1进行洛仑兹曲线拟合，另一种是采用Chraplyvy模型（见图1的直线部分［16］）.前期研究文献［17］采用洛仑兹模型数值仿真了光纤拉曼放大器放大信号的过程，为了进行对比，拟在此基础上，基于泵浦光和散射光的耦合微分方程，采用Chraplyvy模型描述光纤拉曼增益系数来数值模拟受激拉曼散射过程，图2、图3、图4是模拟得到的仿真图，图中Ip为泵浦光的光强，Is为散射光的光强.其模拟数据同文献［17］.与文献［17］不同的是：这里的光纤拉曼增益系数采用Chraplyvy模型，而文献［17］采用洛仑兹模型.从模拟图中可以看出，随着泵浦光强的增加（分别为4.459、50、100 MW/cm2），拉曼散射光强的峰值从0.1 MW/cm2左右上升至21 MW/cm2左右，继而上升至60 MW/cm2左右.泵浦光通过这个过程将能量转移给散射光强.在通信线路中，如果信号光处在对应泵浦光的散射光强频谱范围内，则可以在不中断业务的情况下进行信号光的“在线式”、“分布式”放大.而且光纤中这个“散射光强”的频谱范围很宽，可以得到相比于掺铒光纤放大器更宽的宽带放大.这是光纤拉曼放大器成为高速、大容量和超长距离光纤通信系统关键器件的原因，它可以使通信波段向更短的S波段（1 460～1 530 nm）和更长的L波段（1 570～1 610 nm）延伸，而掺铒光纤放大器仅限于C波段（1 530～1 565nm）的带宽就显得无能为力.与文献［17］进行对比可得，虽然Chraplyvy模型没有洛仑兹模型精确、全面，只是模拟了其中的一段光纤拉曼增益系数谱，但是数值模拟的结果却是相同的，都能很好地模拟出受激拉曼散射光谱的变化过程，而在程序的运行效率上，采用Chraplyvy模型远远优于采用洛仑兹模型.这相比于前期研究［17］有较大改进.

3 非线性光学在光纤通信应用中的研究展望

图1 光纤拉曼增益系数谱

图2 泵浦光强为4.459 MW/cm2的散射光谱

图3 泵浦光强为50 MW/cm2的散射光谱

图4 泵浦光强为100 MW/cm2的散射光谱

近年来，随着云计算网络、智能手机和“三网合一”业务的急剧增长，作为通信行业的重要支柱光纤通信业也在飞速发展.国家工信部2012年发布的《通信业“十二五”发展规划》明确提出了“光纤宽带中国”战略.非线性光学效应在光纤通信中的应用将越来越值得关注.

在理论方面，非线性光学效应的更深层次物理机制探讨仍然是一个当前的研究热点.比如，用量子力学理论全面阐释拉曼散射、布里渊散射、四波混频、自相位调制、交叉相位调制等过程就是当前的前沿.在不中断通信业务的条件下，从量子力学的薛定谔方程出发同时建立这些光纤非线性光学效应的全面模型，然后进行定量分析，则可以扬长避短，降低光纤通信中的噪声，同时最大限度地应用好各种非线性光学效应.

在实验方面，产生的二次谐波光很弱，这使得它的应用受到很大的限制.研究发现其原因是与非线性光学材料有关.目前，美国、英国和澳大利亚投入了大量人员、财力研究极化光纤这种材料.三阶非线性光学材料的研究进展也很快，在几种典型的三阶非线性光学材料中，纳米团簇材料的非线性光学特性将成为今后的研究热点，而准波导技术将有可能作为一种新的表征技术应用于非线性光学材料的研究中［6］.

另外，高速长距离大容量光纤通信系统中，光纤非线性效应对通信质量的影响日益严重，渐渐成为限制通信系统向更高容量发展的主要因素.因而在现有设备的基础上对系统进行有效的非线性效应补偿，提高信道容量以便适应市场需求已成为当前光纤通信领域一个热门的研究方向［18］.同时，利用光纤非线性效应制作光纤通信器件的研究更需进一步深入展开［19］.

4 结语

笔者阐述了非线性光学的定义，探讨了非线性光学在光纤通信中几方面的应用发展，指出非线性光学在光纤通信应用中的研究展望，重点是数值模拟了三阶非线性光学效应受激拉曼散射作为光纤拉曼放大器原理的物理过程，所得结论与文献对比有新的进展.这有助于开展受激拉曼散射的实验工作，也推动非线性光学在光纤通信应用中的进一步研究.

［1］张静江,孙淑梅.非线性光学与光学教学［J］.大学物理,1999,18(5):35-39.

［2］熊飞峤.非线性光学研究的困难与进展［J］.遵义师范高等专科学校学报,2000,2(2):90-91.

［3］尹国盛,顾玉宗,黄明举,等.非线性光学及其若干新进展［J］.物理,2002,31(11):708-712.

［4］范品忠,咏涛.非线性光学技术将在工厂中获得应用［J］.激光与光电子学进展,1999,4:29-36.

［5］孙睿.新型非线性光学晶体RbBe2Bo3F2的非线性光学特性研究［D］.北京:北京工业大学应用数理学院.2013.

［6］顾兵.三阶非线性光学材料及其表征技术研究进展［J］.应用光学,2003,24(6):35-37.

［7］钟卫平,杨正平.非线性光孤子传输方程［J］.光通信技术,1993,17(4):234-237.

［8］Agrawal G.P.Nonlinear fiber optics［M］.4th,California:Academic Press,2007.

［9］崔剑.高速长途光纤通信系统中光纤非线性、高阶色散和偏振模色散的研究［D］.济南:山东大学,2008.

［10］郭建民.光纤非线性效应及其对光纤通信系统的影响［D］.大连:大连理工大学,2000.

［11］倪娟.光子晶体光纤非线性光学特性的理论研究［D］.郑州:郑州大学,2009.

［12］李爱萍.光子晶体光纤非线性光学特性的理论和实验研究［D］.郑州:郑州大学,2007.

［13］杨明涛,董孝义,盛秋琴,等.光纤非线性对光纤通信系统的影响［J］.光通信技术,1993,17(6):323-326.

［14］王清月,胡明列,柴路.光子晶体光纤非线性光学研究新进展［J］.中国激光,2006,33(1):57-66.

［15］安琳,郑铮,李铮.新型二阶非线性材料PPLN在光纤通信技术中的应用［J］.光通信技术,2006,1:33-35.

［16］Alexandra G.G,Demetrios N.C,Jean T.Theory of stimulated Raman scattering cancellation in wavelength-division-multiplexed systems via spectral inversion［J］.Photonics Technology Letters,1999,11(10):1271-1273.

［17］龙青云,邓华秋.光纤喇曼放大器原理的数值模拟分析［J］.半导体光电,2012,33(4):486-489.

［18］向练.基于优化微扰技术的高速多跨距非线性光纤通信系统研究［D］.兰州:兰州大学,2013.

［19］龙青云,吴庭万,胡素梅,等.同向抽运光纤拉曼放大器的阈值特性［J］.激光与光电子学进展,2014,51(3):030603.

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

（责任编辑：李 婉）

2014-04-29

广东省自然科学基金项目（S2013010012844）；茂名市工农业科技计划项目（201318）.

龙青云（1982－），女，苗族，湖南绥宁人，广东石油化工学院计算机与电子信息学院讲师,硕士,主要从事光纤通信方面研究.