非线性效应是指强光作用下由于介质的非线性极化而产生的效应，包括光学谐波，倍频，受激拉曼散射，双光子吸收，饱和吸收，自聚焦，自散焦等。光纤中的非线性效应包括：散射效应（受激布里渊散射SBS 和受激拉曼散射SRS 等）、与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关（自相位调制SPM 、交叉相位调制XPM 、四波混频效应FWM ），其中四波混频、交叉相位调制对系统影响严重。

非线效应

光纤传输的衰耗和色散与光纤长度是呈线性变化的，呈线性效应，而带宽系数与光纤长度呈非线性效应。非线性效应一般在WDM系统上反映较多，在SDH 系统反映较少，因为在WDM 设备系统中，由于合波器、分波器的插入损耗较大，对16 波系统一般相加在10dB 左右，对32 波系统，相加在15dB 左右，因此需采用EDFA进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应大大增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因数之一，同时，也增加了ASE 等噪声。

分类

受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS

从本质上说，任何物质都是由分子、原子等基本组成单元组成。在常温下，这些基本组成单元在不断地作自发热运动和振动。光纤中的受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS 都是激光光波通过光纤介质时，被其分子振动所调制的结果，而且SBS 和SRS都具有增益特性，在一定条件下，这种增益可沿光纤积累。SBS 与SRS 的区别在于，SBS 激发的是声频支声子，SRS激发的是光频支声子。受激布里渊散射SBS 产生原理：SBS是光纤中泵浦光与声子间相互作用的结果，在使用窄谱线宽度光源的强度调制系统中，一旦信号光功率超过受激布里渊散射SBS 的门限时（SBS的门限较低，对于1550nm 的激光器，一般为7~8dBm ），将有很强的前向传输信号光转化为后向传输，随着前向传输功率的逐渐饱和，使后向散射功率急剧增加。

在WDM+EDFA 的系统中，注入到光纤中的功率大于SBS 的门限值，会产生SBS 散射。SBS 对WDM系统的影响主要是引起系统通道间的串扰及信道能量的损失。布里渊频移量在1550nm 处约为10~11GHz ，当WDM系统的信道间隔（即波长间隔）与布里渊频移量相等时，就会引起信道间的串扰，但目前的WDM 系统，在32 波( 包括32 波)以下时，其信道间隔不小于0.8nm ，既信道间隔不小于100GHz ，可以避免由于SBS 产生的信道串扰，但随着WDM朝密集方向的发展，信道间隔越来越小，但信道间隔靠近10~11GHz 时，SBS 将成为信道串扰的主要因数。此外，由于SBS会引起一部分信道功率转移到噪声上 ，影响功率放大。目前抑制SBS 的措施通常在激光器输出端加一个低频调制信号，提高SBS 的门限值。

受激拉曼散射SRS 产生原理：受激拉曼散射SRS是光与硅原子振动模式间相互作用有关的宽带效应，在任何情况下，短波长的信号总是被这种过程所衰减，同时长波长信号得到增强。

在单信道和多信道系统中都可能发生受激拉曼散射SRS 。仅有一个单信道且没有线路放大器的系统中，信号功率大于1W时，功率会受到这种现象的损伤，在较宽信道间隔的多信道系统中，较短波长信号通道由于受激拉曼散射SRS，使得一部分光功率转移到较长波长的信号信道中，从而可能引起信噪比性能的劣化。由于受激拉曼散射SRS激发的是光频支声子，其产生的拉曼频移量比布里渊频移量大得多，一般在100GHz~200GHz ，且门限值较大，在1550nm处约为27dBm ，一般情况下不会发生。但对于WDM 系统，随着传输距离的增长和复用的波数的增加，EDFA放大输出的光信号功率会接近27dBm ，SRS 产生的机率会增加。

因G.653 光纤的等效芯经面积小于G.652 光纤，受激拉曼散射SRS 门限值要低于采用G.652 光纤的系统，在G.653光纤上产生SRS 的概率要大。

自相位调制SPM和交叉相位调制XPM

光纤中的克尔效应是一种折射率的非线性效应，即光纤中激光强度的变化导致光纤折射率的变化，引起光信号自身的相位调整，这种效应叫做自相位调制。

由于折射率对光强存在依赖关系，在光脉冲持续时间内折射率发生变化，脉冲峰值的相位对于前、后沿来说均是延迟的，这种相移随着传输距离的增加而积累起来，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使光谱展宽导致脉冲展宽，这就称为自相位调制SPM。在DWDM 系统中，光谱展宽是非常严重的，可使一个信道的脉冲光谱与另一个信道的脉冲光谱发生重叠，影响系统的性能。

一般情况下，自相位调制SPM 效应只在超长系统中表现比较明显，同时在色散大的光纤中也表现比较明显，所以，采用G.653光纤，且将信道设置在零色散区附近，有利于减小自相位调制效应，对于使用G.652 光纤，且长度小于1000km的系统，可以在适当的间隔进行色散补偿的方法来控制自相位调制SPM 效应。

在多波长系统中，一个信道的相位变化不仅与本信道的光强有关，也与其它相邻信道的光强有关，由于相邻信道间的相互作用，相互调制的相位变化称为交叉相位调制XPM。XPM 引起的频谱展宽度与信道的间隔有关，越小，则产生的效应就越大，反之，则小。XPM 引起的展宽会导致多信道系统中相邻信道间的干扰。

SPM 和XPM 在色散大的光纤中产生的效应要比在色散小的光纤中产生效应要大，在实际系统中可通过采用色散小的G.653 和G.655光纤来减小SPM 和XPM 效应。

四波混频

四波混频FWM亦称四声子混合，是光纤介质三阶极化实部作用产生的一种光波间耦合效应，是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物，或边带的新光波，这种互作用可能发生于多信道系统的信号之间，可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应。

在DWDM 系统中，当信道间距与光纤色散足够小且满足相位匹配时，四波混频将成为非线性串扰的主要因数。当信道间隔达到10GHz以下时，FWM 对系统的影响将最严重。

四波混频FWM 对DWDM系统的影响主要表现在：(1)产生新的波长，使原有信号的光能量受到损失，影响系统的信噪比等性能；(2)如果产生的新波长与原有某波长相同或交叠，从而产生严重的串扰。四波混频FWM 的产生要求要求各信号光的相位匹配，当各信号光在光纤的零色散附近传输时，材料色散对相位失配的影响很小，因而较容易满足相位匹配条件，容易产生四波混频效应。

目前的DWDM 系统的信道间隔一般在100GHz ，零色散导致四波混频成为主要原因，所以，采用G.653 光纤传输DWDM 系统时，容易产生四波混频效应，而采用G.652 或G.655 光纤时，不易产生四波混频效应。但G.652 光纤在1550nm 窗口存口存在一定的色散，传输10G 信号时，应加色散补偿，G.655 光纤在1550nm 窗口的色散很小，适合10GDWDM系统的传输。

空间等离子体非线性效应

18世纪中期，人类首次发现了物质的第四态一一等离子体。并随着研究的不断深入，在研究发光、导电流体和高能量密度的热源等方面得到广泛的应用。20世纪20年代，Hulbert和Chapmann提出了大气电离和电离层形成理论，从而拉开了空间等离子体物理研究的序幕。1930年，Telegen成功发现了电离层的一类非线性现象：无线电波的交叉调制现象。当时，瑞士电台向荷兰发送无线电波，途中经常受到卢森堡电台的信号的影响，最后发现是卢森堡发射的大功率调制信号在电离层与瑞士的高频电台信号发生互作用引起的。这就是著名的“卢森堡效应”。B ailey和M artin系统总结了该非线性现象，随后被当作空间等离子体非线性效应研究的理论基础。20世纪60年代，等离子体研究开始受到人们的重视。美国、前苏联等国家相继展开了等离子体与电磁波相互作用的研究。80年代初，前苏联开始研究等离子体在高速飞行器再入大气过程中的潜在应用。到了90年代，Vidmar开始研究雷达波与等离子体的相互作用。Laroussi等人通过实验验证了电磁波在均匀非磁化等离子体中的传播特性，并进行了系统的理论分析总结，得到了吸收功率、反射功率与电磁波的关系。 Lontano等研究了无碰撞均匀等离子体中的传播特性，得到了电磁波的反射和透射系数。Koretzky从理论和实验两方面验证了等离子体能够有效吸收衰减电磁波。Maryland University的W. W.Destker等人也做了相关实验来研究等离子体覆盖的金属平板对高能量的微波的反射，透射及吸收的性质。A B. Petrin也研究了电磁波在磁化等离子体中的传播特性，分别对左旋波和右旋波进行分析计算，得到了有益的结论。到了21世纪，空间等离子体物理研究出现了一个新的方向，A. O. Korotkevich和A. C. Newell等人提出了一种利用等离子体非线性效应解决飞行器再入过程出现黑障问题的方法。

在实验研究方面，1957年第一颗人造卫星发射以及随着星载无线电系统的迅猛发展，研究空间等离子体非线性效应对星载无线电系统的影响成为各国必须解决的关键性课题，西方国家组织了多个诸如COST-251等的研究计划。美国特别重视空间等离子体非线性效应对无线电系统的影响，投入大量的科研经费研究非线性效应。1977~1980年，挪威在Troms也建立了加热站，用于研究大功率电波加热电离层引起的非线性效应。同时，美国的高频有源极光研究计划（HAARP）也具有相当强的研究能力HAARP是世界上最先进的空间等离子体研究实验基地之一。

噪声非线性效应

随机共振作为噪声非线性效应最典型的例子，最早由Benzi等人提出，并用来解释远古时期的地球每隔10万年左右就会交替出现暖气候期和冰川期这个现象。将地球的气候模型视为非线性双稳系统，暖气候期和冰川期作为该系统两个势阱底部的稳态点，外加的周期信号为地球绕太阳转动的偏心率变化，由于这个周期信号很弱，并不能大幅度地改变地球的气候变化。此时，考虑到同期地球受到各种噪声的影响，噪声与双稳系统相互作用产生的非线性效应熊够使得地球在冰川期和暖气候期之间以地球绕太阳转动偏心率变化的频率来回切换。随后，Nicolis等人研究了基Fokker-Plank方程的双稳态气候模型，在绝热近似条件下，给出了有关气候变化的随机微分方程的解析解，与Benzi等人得到的结论基本一致。这一气候问题的圆满解释为噪声非线性效应在微弱信号检测中的应用打下了基础。

研究结果表明，噪声的非线性效应对非线性系统而言是一种较为普遍的动力学行为。1988-1991年期间，浸渐消去理论和绝热摄动理论的提出为噪声非线性效应的研究提供了一个理想的条件，即系统不受外界环境的影响，不存在能量交换的状态变化。Fox研究了非磁滞双稳系统中的噪声非线性效应，通过特征作用的方法产生一个能量谱表达式求解不确定的方程，这种方法具有一定的普遍性。

噪声非线性效应的理论与实验研究使得人们对噪声的作用有了新的认识，噪声的这种积极作用不仅仅存在于经典双稳系统，还包括阂值系统、多稳态系统、Fitzhugh-Nagumo神经模型等，这些系统有一个共同的特点：

　　在合适的噪声强度下，系统的输出信噪比都有所增强。

噪声非线性效应的发现促使人们对噪声的应用研究产生了极大的兴趣，随机共振作为噪声非线性效应的一种具体表现形式，广泛存在于各个科学领域。