四波混频
四波混频（Four-Wave Mixing）是非线性光学中的互调现象，指单射于介质的三个不同频率（ω1，ω2，ω3）的光波通过与介质的相互作用，在介质中感生三阶非线性电极化波P（ω4），在满足相位匹配的条件下，它将辐射出频率为ω4的第四个感生光波。
四波混频可以实现波长的转换，将某波长所荷载的信息转载到另一指定的波长信道上去，它在全光网络中信息传输的路由和选址方面有重要的应用。但在密集波分复用的光通信中，光纤介质的四波混频过程所产生的第四个子波很可能落在另一个波长信道上，因而将引起传输信息间的串扰。
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。
FVM的原理
四波混频是一种基于三阶光学非线性（由X 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v和v（v\u003ev），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）：v=v-（v-v）=2v-v和v=v+（v-v）=2v-v。此时如果原先就存在v或v分量，则表现为v或v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。
FVM的作用
四波混频还被应用于相位共轭、全息成像和光学图像处理等技术中。
1.其会参与到一些光纤放大器（如：纳秒脉宽量级的光纤放大器）中的光谱展宽。在某些应用中，这种光谱展宽作用是很强的，甚至会产生超连续谱。超连续谱产生的过程涉及到很多种不同的非线性作用，而四波混频会在长脉冲的超连续谱产生中起到很大的作用；
2.基于四波混频的参量放大可以用于光纤的光学参量放大器（OPA）和光学参量振荡器（OPO）中。在这种情况下ν_1和ν_2是重叠的。相比于基于χ^（（2））非线性效应的光学参量放大器和光学参量振荡器，这种基于四波混频效应的设备中的泵浦光的频率是在信号光和闲散光之间的；
3.四波混频作用在光纤通信中通常是有害的，特别在波分复用技术中，四波混频会造成不同信道之间的串扰和信道功率的不平衡。通过使用非等间隔的信道可以抑制该效应；
4.在光谱学中，四波混频通常出现在相干反斯托克斯拉曼光谱学中。在这种方法中，两个输入光波会产生一个频率略高于输入光的被探测信号。通过改变输入光束的时间延迟，还可以测量激发态寿命和退相率。
5.四波混频还被应用于相位共轭、全息成像和光学图像处理等技术中。
FWM的影响
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。
FWM的应用
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
参考资料
Four-Wave Mixing.Science Direct.2024-04-05