四波混頻

四波混頻（FWM）是非線性光學中的互調現象，其中兩個或三個波長之間的相互作用產生兩個或一個新的波長。 它類似於電力系統中的三階截點。 四波混頻可以與標準電氣系統中的互調失真相比較。 這是一個參數非線性過程，因為入射光子的能量是守恆的。 FWM是一個相位敏感的過程，因為過程的效率受相位匹配條件的強烈影響。

基本介紹

• 中文名：四波混頻
• 外文名：four-wave mixing
•  類型：物理效應
•  領域：光學
• 起因：介質的三階非線性極化

概述

通信中，四波混頻(Four-WaveMixing，FWM)亦稱四聲子混合，是光纖介質三階極化實部作用產生的一種光波間耦合效應，是因不同波長的兩三個光波相互作用而導致在其它波長上產生所謂混頻產物，或邊帶的新光波，這種互作用可能發生於多信道系統的信號之間，可以產生三倍頻、和頻、差頻等多種參量效應。

發生四波混頻的原因是入射光中的某一個波長上的光會使光纖的折射率發生改變，則在不同的頻率上產生了光波相位的變化，從而產生了新的波長的光波。

FWM的原理

四波混頻是一種基於三階光學非線性（由X^（3）係數描述）的非線性效應。當有至少兩個不同頻率分量的光一同在非線性介質（如光纖）中傳播時就有可能發生四波混頻效應。假設輸入光中有兩個頻率分量v₁和v₂（v₂>v₁），由於差頻的折射率調製的存在，會產生兩個新的頻率分量（如圖1所示）：v₃=v₁-(v₂-v₁)=2v₁-v₂和v₄=v₂+(v₂-v₁)=2v₂-v₁。此時如果原先就存在v₃或v₄分量，則表現為v₃或v₄被放大，即這個兩個頻率分量經歷了參量放大。

圖1.四波混頻產生新頻率分量示意圖

當四波混頻作用涉及四個不同的頻率分量時，其為非簡併的四波混頻。當然還存在簡併的四波混頻，即四波混頻中的兩個頻率重合。例如，可以利用一個單頻的泵浦作為一個臨近波長的信號光的放大源，在這個四波混頻過程中，每有一個光子被增加到信號光中（即實現放大）時，都會使用兩個泵浦波長的光子，另外還在泵浦光波長的另一側產生一個閒散波的光子。

四波混頻過程是對相位非常敏感的（即四波混頻作用依賴於涉及到的所有光的相對相位）。當雷射在光纖等介質中滿足相位匹配的條件時，四波混頻作用會隨著傳播距離的增加而有效的增強。相位匹配的條件意味著四波混頻中的各個分量的頻率很接近或者介質有一個合適的色散曲線。當相位嚴重不匹配時，四波混頻作用會被大大地抑制。在固體介質中，還可以通過調節不同光束之間的方向和角度來實現相位匹配。

光纖中的四波混頻作用是與自相位調製和交叉相位調製密切相關的，這些效應都是由同一個非線性效應（克爾效應）造成的，只不過每個效應中的光的頻率的簡併狀態不同。

FWM的作用

1. 其會參與到一些光纖放大器（如：納秒脈寬量級的光纖放大器）中的光譜展寬。在某些套用中，這種光譜展寬作用是很強的，甚至會產生超連續譜。超連續譜產生的過程涉及到很多種不同的非線性作用，而四波混頻會在長脈衝的超連續譜產生中起到很大的作用；
   
2. 基於四波混頻的參量放大可以用於光纖的光學參量放大器（OPA）和光學參量振盪器（OPO）中。在這種情況下ν_1和ν_2是重疊的。相比於基於χ^((2))非線性效應的光學參量放大器和光學參量振盪器，這種基於四波混頻效應的設備中的泵浦光的頻率是在信號光和閒散光之間的；
   
3. 四波混頻作用在光纖通信中通常是有害的，特別在波分復用技術中，四波混頻會造成不同信道之間的串擾和信道功率的不平衡。通過使用非等間隔的信道可以抑制該效應；
   
4. 在光譜學中，四波混頻通常出現在相干反斯托克斯拉曼光譜學中。在這種方法中，兩個輸入光波會產生一個頻率略高於輸入光的被探測信號。通過改變輸入光束的時間延遲，還可以測量激發態壽命和退相率。
   
5. 四波混頻還被套用於相位共軛、全息成像和光學圖像處理等技術中。
   

FWM的影響

FWM在光纖通信中的影響

FWM是影響波分復用（WDM）系統的光纖特性，其中多個光波長以相等的間隔或通道間隔隔開。FWM的效果在波長的信道間隔（例如在密集的WDM系統中）和高信號功率水平下顯著。高色散會降低FWM效應，因為信號失去相干性，或者換句話說，會增加相位失配。在WDM系統中引起的干擾FWM被稱為信道間串擾。可以通過使用不均勻的信道間隔或增加色散的光纖來減輕FWM。

FWM在DWDM系統中的影響

在DWDM（密集波分復用）系統中，當信道間距與光纖色散足夠小且滿足相位匹配時，四波混頻將成為非線性串擾的主要因素。當信道間隔達到10GHZ以下時，FWM對系統的影響將最嚴重。

四波混頻對DWDM系統的影響主要表現在：(1)產生新的波長，使原有信號的光能量受到損失，影響系統的信噪比等性能；(2)如果產生的新波長與原有某波長相同或交疊，從而產生嚴重的串擾。四波混頻的產生要求要求各信號光的相位匹配，當各信號光在光纖的零色散附近傳輸時，材料色散對相位失配的影響很小，因而較容易滿足相位匹配條件，容易產生四波混頻效應。

目前的DWDM系統的信道間隔一般在100GHZ，零色散導致四波混頻成為主要原因，所以，採用G.653光纖傳輸DWDM系統時，容易產生四波混頻效應，而採用G.652或G.655光纖時，不易產生四波混頻效應。但G.652光纖在1550nm視窗存口存在一定的色散，傳輸10G信號時，應加色散補償，G.655光纖在1550nm視窗的色散很小，適合10GDWDM系統的傳輸。

FWM的套用

非線性光學中，四波混頻是介質中兩個特定頻率的光波在非線性材料中交會時，有可能產生另外兩個頻率的訊號，相互作用所引起的非線性光學效應，它起因於介質的三階非線性極化。四波混頻相互作用的方式一般可分為以下三類：一、三個泵浦場的作用情況；二、輸出光與一個光具有相同模式的情況；三、後向參量放大和振盪。

FWM套用於光相位共軛，參量放大，超連續譜生成和基於微諧振器的頻率梳生成。基於四波混頻的參量放大器和振盪器使用三階非線性，與大多數使用二階非線性的典型參數振盪器相反。

由於四波混頻在所有介質中都能很容易的觀察到，而且變換形式很多，所以它已經得到了很多有意義的套用。例如，利用四波混頻可以把可調諧相干光源的頻率範圍擴展到紅外和紫外；在簡併的情況下，四波混頻可用於自適應光學的波前再現；在材料套用中共振四波混頻技術又非常有效的光譜和分析工具等待