光纖傳輸性能分析中，應(yīng)該先確定非線性噪聲來(lái)源，這是一個(gè)基礎(chǔ)問(wèn)題。非線性噪聲來(lái)源都相對(duì)比較復(fù)雜，其計(jì)算更比較復(fù)雜，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，一種計(jì)算可能只能實(shí)用于有限場(chǎng)景，但是不能說(shuō)該計(jì)算是錯(cuò)誤的，需要針對(duì)具體的場(chǎng)景進(jìn)行修正或者補(bǔ)充。

非線性噪聲的識(shí)別有兩個(gè)比較重要的前提。因?yàn)槲覀兛紤]的是有效噪聲，有些噪聲不在信道之內(nèi)就不算有效噪聲，如果噪聲完全滿足系統(tǒng)的誤碼率要求，則噪聲也可能不必再進(jìn)行優(yōu)化而帶來(lái)成本的增加。

一個(gè)是信道的設(shè)計(jì)，包括信道的帶寬和間隔。

一般情況下，信道的帶寬大于等于信道的碼率。推薦的奈奎斯特WDM信道，因?yàn)槠鋷挼扔谛诺赖拇a率，信道的間隔可以認(rèn)為為零。實(shí)際上每個(gè)信道的帶寬可能不一樣，間隔也不一致。

非線性噪聲的識(shí)別是在信道的帶寬內(nèi)進(jìn)行識(shí)別，落在信道的帶寬外的噪聲自然也沒(méi)有意義去進(jìn)行評(píng)估。信道占用的帶寬大，積累的非線性噪聲應(yīng)該就比較大。信道間隔比較小，信道之間的串?dāng)_就比較大，非線性噪聲就比較大。從分析角度，最簡(jiǎn)單的自然是信道間的間隔為零的奈奎斯特WDM信道。頻譜效率利用率大致是最高的，分析模型應(yīng)該是最簡(jiǎn)單的。

調(diào)制格式也應(yīng)該對(duì)非線性噪聲帶來(lái)影響。相同的輸入功率，不同的調(diào)制格式，其非線性噪聲結(jié)果也有差異。

16QAM或者PM-QAM中，取四角的信號(hào)振幅，其非線性噪聲結(jié)果是最高的。取平均功率或許低估了特殊時(shí)段的非線性噪聲。應(yīng)該對(duì)平均功率和最高功率進(jìn)行考慮。

非線性噪聲是光纖中的非線性效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲。目前已知的光纖非線性效應(yīng)包括五類，受激拉曼散射，受激布里淵散射，自相位調(diào)制，交叉相位調(diào)制，以及四波混頻。但目前非線性效應(yīng)的分析還是主要集中在四波混頻帶來(lái)的非線性噪聲，但是其他非線性噪聲來(lái)源也是需要進(jìn)行關(guān)注的，特定的應(yīng)用場(chǎng)景，其噪聲或許增大到需要特別關(guān)注的程度。

受激拉曼散射和受激布里淵散射源于光脈沖和光纖材料的相互作用，光脈沖和物質(zhì)之間存在能量的交換。由于目前的放大器配置，長(zhǎng)途干線和海底通信中，存在受激拉曼散射和受激布里淵散射帶來(lái)的非線性噪聲。

受激拉曼增益覆蓋的頻譜能覆蓋到40THz，同時(shí)受激拉曼散射的噪聲也同樣覆蓋到40THz。

受激拉曼增益在不同的頻移下的增益大小，最高增益在13.2THz位置?？梢韵胂蟪?，短波長(zhǎng)信道會(huì)成為長(zhǎng)波長(zhǎng)信道的泵浦，這樣短波長(zhǎng)信道的部分能量會(huì)轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)波長(zhǎng)信道而成為噪聲。

不過(guò)，由于受激拉曼散射的閾值比較高，為1W級(jí)別，而典型的信道功率一般1mW。受激拉曼散射對(duì)于信道非線性影響應(yīng)該比較小，其帶來(lái)的功率代價(jià)微小。實(shí)際應(yīng)用中需要考慮各個(gè)信道的放大效率和均衡性。

受激布里淵散的閾值比較低(~5mW)，需要考慮其帶來(lái)的噪聲，但是主要是前向布里淵散射(前文:光纖非線性特性-布里淵散射)，雖然該影響確實(shí)也比較小，但是在系統(tǒng)評(píng)估中不應(yīng)該被忽視。值得一提的是，由于光纖的優(yōu)化，一般受激布里淵散的閾值也提高了很多個(gè)dB。這個(gè)要看具體的光纖性能。

自相位調(diào)制，交叉相位調(diào)制，以及四波混頻，源于信道中光脈沖之間的相互作用，能量交換發(fā)生在光脈沖頻率之間，并不和材料物質(zhì)相互作用。

自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制帶來(lái)的是相位噪聲，四波混頻應(yīng)該屬于振幅噪聲。四波混頻發(fā)生的能量交換均處理為噪聲，但是有一點(diǎn)，如果產(chǎn)生的新頻率的光子和該頻率所占用的信道的信號(hào)光子巧合同頻同相同方向同一個(gè)時(shí)刻位置，應(yīng)該會(huì)起到放大作用。但是這種概率比較低，從分析角度上，四波混頻產(chǎn)生的新頻率的光子均處理為噪聲。

如果存在自相位調(diào)制，則其光波相移在線性相移的基礎(chǔ)上增加了非線性相移：

根據(jù)光場(chǎng)的表達(dá)式，就有（非嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá)，但是邏輯上是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模?/p>

則第一個(gè)公式可以看到自相位調(diào)制帶來(lái)了非線性相移，第二個(gè)公式中看到自相位調(diào)制也擴(kuò)展了頻譜。頻率擴(kuò)展其中一種情況是形成光孤子帶來(lái)增益，一種情況脈沖在時(shí)間域上擴(kuò)展形成相位噪聲。

在光脈沖傳播距離L后，自相位調(diào)制引入的相位噪聲逐漸增強(qiáng)，最初的圓形功率分布信號(hào)變成一個(gè)橢圓功率分布信號(hào)。但是振幅波動(dòng)的范圍沒(méi)有受到影響。

交叉相位調(diào)制帶來(lái)的相移遠(yuǎn)大于自相位調(diào)制：

如果參與交叉相位調(diào)制兩個(gè)頻率功率相等，則非線性相移將是自相位調(diào)制的三倍。

可以預(yù)知，其相位噪聲也存在很大的增強(qiáng)。交叉相位調(diào)制的相位噪聲也是分析的一個(gè)重點(diǎn)。

在目前的非色散補(bǔ)償方案中，隨著系統(tǒng)數(shù)字處理技術(shù)的增強(qiáng)，相位噪聲被證明影響比較小。非線性噪聲主要集中在四波混頻上。

四波混頻的高效率需要滿足能量守恒和動(dòng)量守恒。能量守恒和頻率有關(guān)，動(dòng)量守恒則和傳播常數(shù)或者相位相關(guān)。能量守恒確定了四波混頻會(huì)產(chǎn)生那些新的頻率。動(dòng)量守恒決定四波混頻的效率，即最大四波混頻效率需要參與四波混頻的四個(gè)傳播常數(shù)差等于零。

假定四個(gè)頻率等間隔，則每個(gè)傳播常數(shù)按泰勒級(jí)數(shù)展開后取其差值，有

則可以看到二階色散系數(shù)或者群速度色散beta2等于零時(shí)，傳播常數(shù)差等于零，這時(shí)，四波混頻的效率最高。也就是在光纖的零色散位置附近，四波混頻的效率最高。遠(yuǎn)離光纖的零色散位置，則四波混頻的效率就比較低。

四波混頻中四波前面的符號(hào)只存在或者只考慮下面的關(guān)系，其他的符號(hào)或者不可能存在，或者不在通信頻譜的范圍之內(nèi)。

由f1，f2，f3頻率參與的非線性過(guò)程而轉(zhuǎn)移到新頻率f上的功率將視為四波混頻效應(yīng)導(dǎo)致的噪聲。由于有效的功率密度譜只存在有效帶寬上，f1，f2，f3也落在有效帶寬，并且原則上要遍歷整個(gè)有效帶寬，而忽略掉中間的帶寬間隙，這樣四波混頻效應(yīng)導(dǎo)致的噪聲最初應(yīng)該需要三重積分。如果以Hz為單位，則一個(gè)32GHz的信道就存在數(shù)量可觀的參與四波混頻的頻率，而新頻率也可能落在任何信道，或者落在信道之間的間隙。

如果每個(gè)信道的功率均等，很容易知道，中間的信道的中心頻率其四波混頻效應(yīng)最強(qiáng)烈，而其噪聲也最大，是考慮的重點(diǎn)。由于前面的頻率關(guān)系，可以預(yù)知，如果考慮中心頻率f，則其他三個(gè)頻率可能來(lái)在1）全部來(lái)自中間信道；2）來(lái)在中間信道和另外一個(gè)信道；3）來(lái)自三個(gè)信道，這三個(gè)信道或者包括中間信道，或者是非中間信道的其他信道。

而不同的頻率其四波混頻效率也有不同，考慮四波混頻效率，注意，由于可以設(shè)置f=0，則f3是f1和f2的和。

所以三重積分可以減少到二重積分。

四波混頻效率圖示中看出，重點(diǎn)考慮的場(chǎng)景是：其中一個(gè)頻率位于中間信道，如果兩個(gè)頻率均不在中間信道，則其四波混頻效率急速下降。

總之，目前明確的非線性噪聲來(lái)源：

四波混頻帶來(lái)新的頻譜噪聲，應(yīng)該屬于振幅噪聲。

自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制帶來(lái)相位噪聲，如果系統(tǒng)無(wú)法有效補(bǔ)償其功率代價(jià)，其中交叉相位調(diào)制帶來(lái)的相位噪聲需要進(jìn)行考慮。

前向布里淵散射帶來(lái)噪聲是一個(gè)基礎(chǔ)噪聲，基數(shù)較低，但是需要考慮。

拉曼散射帶來(lái)的噪聲，大多數(shù)分析都被忽略，但是需要進(jìn)行分析確定是否可以忽略。

審核編輯：湯梓紅