光纤的非线性特性

任务四　光纤的非线性特性

◆知识点

¤　光纤的非线性特性

¤　光纤的非线性折射

◆任务目标

¤　掌握光纤非线性光学效应

¤　理解光纤的非线性特性

任务导入：

任何介质在强电场作用下，都将呈现出非线性特性，光纤也不例外。虽然石英光纤本质上不是高非线性材料，但由于光纤传输距离很长，并将广场限制在截面很小的区域内，因此光纤中的非线性现象仍十分显著。光纤的非线性对光信号的传输有重要的影响，并在许多方面得到应用。

相关知识：

1.光纤非线性光学效应

将电场E施加到电介质材料是将引起组成它的原子和分子极化。介质对电场的响应可用引起介质的极化P来描述，它表示单位体积引起的尽偶极矩。在线性电介质中，引起极化P与该点的电场E成正比，P＝ε₀χE，式中x是电磁化系数。但是在强电场作用下P与E的关系将不遵守线性关系，此时P与E的关系是：

式中χ1、χ2、χ3分别是线性、二阶、三阶电磁化系数。非线性（χ2和χ3）的影响程度与电磁强度E有关。

假如光场是E＝E₀sin（ωt），代入上式，整理并忽略ε₃项，就可以得到光场引起的极化P为：

式中第一项是基波，第二项是二次谐波，第三项是直流项。

分析表明，线性部分占主要地位，二阶非线性系数χ2导致产生二次谐波及和频等一系列非线性效应。但它仅对缺乏分子量级反转对称的介质才不为零。因为SiO₂是分子对称，所以光纤通常表现不出二阶非线性。不过光纤内部的掺杂以及四极电子在特定的条件下也会引起二次谐波的产生。

2.非线性折射率

光纤中的最低非线性效应起源于三阶极化系数χ3，它是引起三次谐波、四波混频、非线性折射等方面的原因。光纤中的许多非线性效应都来源与非线性折射。非线性折射率可表示为：

式中｜E｜是光场幅度的有效值，n（ω）为线性折射率，与χ相关，其中ω为光场角频率，n₂是与χ3有关得非线性折射率。

知识应用：

现在光纤的非线性已经发展成为非线性光学的一个重要分支学科——非线性光纤光学。经研究表明，在产生非线性光学现象方面，光纤的主要特点是：

①光纤中光波场在二维方向上被局限在光波长量级的小范围内，这样即使只有较小的输入光功率，在光纤中也可获得较大的光功率密度，足以实现非线性互相作用。

②光波在光纤中可以无衍射地传输相当长的距离，从而保证了有效的非线性相互作用所需的相干传输距离。

③在光纤中可以利用多模色散来抵消材料色散，这使得那些由于光学同向性而很难在介质中出现相位匹配的情况，在光纤汇总有可能实现，并获得有效的非线性作用。

思考题与习题

1.分析光纤中产生非线性的原因。

2.简述光纤的非线性光学效应。