四波混频

非线性光学中的互调现象

四波混频（FWM）是非线性光学中的互调现象，其中两个或三个波长之间的相互作用产生两个或一个新的波长。它类似于电力系统中的三阶截点。四波混频可以与标准电气系统中的互调失真相比较。这是一个参数非线性过程，因为入射光子的能量是守恒的。 FWM是一个相位敏感的过程，因为过程的效率受相位匹配条件的强烈影响。

现象概述

通信中，四波混频(Four-WaveMixing，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。

发生四波混频的原因是入射光中的某一个波长上的光会使光纤的折射率发生改变，则在不同的频率上产生了光波相位的变化，从而产生了新的波长的光波。

现象原理

四波混频是一种基于三阶光学非线性（由X（3）系数描述）的非线性效应。当有至少两个不同频率分量的光一同在非线性介质（如光纤）中传播时就有可能发生四波混频效应。假设输入光中有两个频率分量v1和v2（v2>v1），由于差频的折射率调制的存在，会产生两个新的频率分量（如图1所示）：v3=v1-(v2-v1)=2v1-v2和v4=v2+(v2-v1)=2v2-v1。此时如果原先就存在v3或v4分量，则表现为v3或v4被放大，即这个两个频率分量经历了参量放大。

当四波混频作用涉及四个不同的频率分量时，其为非简并的四波混频。当然还存在简并的四波混频，即四波混频中的两个频率重合。例如，可以利用一个单频的泵浦作为一个临近波长的信号光的放大源，在这个四波混频过程中，每有一个光子被增加到信号光中（即实现放大）时，都会使用两个泵浦波长的光子，另外还在泵浦光波长的另一侧产生一个闲散波的光子。

四波混频过程是对相位非常敏感的（即四波混频作用依赖于涉及到的所有光的相对相位）。当激光在光纤等介质中满足相位匹配的条件时，四波混频作用会随着传播距离的增加而有效的增强。相位匹配的条件意味着四波混频中的各个分量的频率很接近或者介质有一个合适的色散曲线。当相位严重不匹配时，四波混频作用会被大大地抑制。在固体介质中，还可以通过调节不同光束之间的方向和角度来实现相位匹配。

光纤中的四波混频作用是与自相位调制和交叉相位调制密切相关的，这些效应都是由同一个非线性效应（克尔效应）造成的，只不过每个效应中的光的频率的简并状态不同。

现象作用

现象影响

FWM在光纤通信中的影响

FWM是影响波分复用（WDM）系统的光纤特性，其中多个光波长以相等的间隔或通道间隔隔开。FWM的效果在波长的信道间隔（例如在密集的WDM系统中）和高信号功率水平下显着。高色散会降低FWM效应，因为信号失去相干性，或者换句话说，会增加相位失配。在WDM系统中引起的干扰FWM被称为信道间串扰。可以通过使用不均匀的信道间隔或增加色散的光纤来减轻FWM。

FWM在DWDM系统中的影响

在DWDM（密集波分复用）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素。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。

现象应用

非线性光学中，四波混频是介质中两个特定频率的光波在非线性材料中交会时，有可能产生另外两个频率的讯号，相互作用所引起的非线性光学效应，它起因于介质的三阶非线性极化。四波混频相互作用的方式一般可分为以下三类：一、三个泵浦场的作用情况；二、输出光与一个光具有相同模式的情况；三、后向参量放大和振荡。

FWM应用于光相位共轭，参量放大，超连续谱生成和基于微谐振器的频率梳生成。基于四波混频的参量放大器和振荡器使用三阶非线性，与大多数使用二阶非线性的典型参数振荡器相反。

由于四波混频在所有介质中都能很容易的观察到，而且变换形式很多，所以它已经得到了很多有意义的应用。例如，利用四波混频可以把可调谐相干光源的频率范围扩展到红外和紫外；在简并的情况下，四波混频可用于自适应光学的波前再现；在材料应用中共振四波混频技术又非常有效的光谱和分析工具等待

全国各地天气预报查询

上海市

市辖区

云南省

临沧市

云南省

丽江市

云南省