ファイバー中の非線形光学効果
石英（SiO2 ）系光ファイバは本質的には非線形性が小さい媒質であるが、光を径10μm以下の非常に狭い空間に閉じ込めるため電磁場のパワー密度が高くなり、さらに物質と光との相互作用長が長いことから様々な非線形相互作用が顕著に現れる。電界強度が高いときには誘電分極PはEに比例しなくなり
のように2 次、3 次…の高次の分極が無視できなくなってくる。ここでε0 は真空の誘電率、χは線形感受率、Eは電界である。この高次の分極を非線形分極という。
2次の感受率
2 次の感受率χ2は第２高調波発生や和周波発生などの2 次の非線形効果を生み出す。しかし光ファイバはその対称的な分子構造ゆえ、通常2 次の非線形効果をほとんど示さない。そのため光ファイバの非線形効果は主に3 次の感受率χ3により引き起こされる。
3次の感受率
3 次の感受率χ3は第3高調波発生、四光波混合、非線形屈折率変化、非線形散乱などの現象を引き起こす。この中で第3高調波発生や四光波混合は位相整合が成り立つ特別な場合にのみ生じる現象である。それゆえ、光ファイバで起こる非線形効果の大部分は非線形屈折率変化である。 非線形屈折率変化によって引き起こされる現象には、ファイバー中を光が伝播するときに自分自身の光強度により位相がシフトする自己位相変調（SPM: Self Phase Modulation）、別の光強度により位相がシフトする相互位相変調（XPM: Cross Phase Modulation）などがある。
様々な非線形現象
光ファイバの非線形現象を非線形屈折率変化と非線形散乱に大別し表１にまとめた。非線形現象を抑制するためにはコア内輝度の低下が不可欠であり、MFDの拡大のためにコアの低NA 化とコア径の拡大を同時に実施や、コア径を極めて小さくすることにより光のコア閉じ込め能力を低下させてMFDを拡大する方法がある。
| 項目 | 簡単な説明 | |
|---|---|---|
| 非線形 屈折率変化 |
自己位相変調 (SPM) |
自分自身の光強度により位相がシフトする |
| 相互位相変調 (XPM) |
別の光強度により位相がシフトする | |
| 四光波混合 (FWM) |
二つ以上の異なった波長の光をファイバ中に入射した際に，新たな波長の光が発生する | |
| 誘導散乱 | 誘導ラマン散乱 (SRS) |
光学的振動により、散乱光の波長が長波長側にシフトする 約52nm @1064nm |
| 誘導ブリルアン散乱 (SBS) |
音響的振動により、散乱光の波長が長波長側にシフトする 約0.06nm @1064 nm |
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高強度な光をファイバー中に入射させると、SiO2 分子の振動が起こりフォノン(音波)が伝搬する。SiO2 のような2原子分子の振動はそれぞれの原子が同方向に振動する"音響フォノン"と逆方向に振動する"光学フォノン"に分けられる。この光学フォノンと光の相互作用によって発生するのがSRSである。
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