光纖的非線性光學(xué)效應(yīng)課件

1、2.6光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)2.6.1 概述2.6.2 受激非彈性散射受激布里淵散射(SBS)受激喇曼散射(SRS)2.6.3 非線性折射率自相位調(diào)制(SPM)互相位調(diào)制(XPM)四波混頻(FWM)2022/9/2912.6光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)2.6.1 概述2022/92.6.1 概述在高強(qiáng)電磁場(chǎng)中任何介質(zhì)對(duì)光的效應(yīng)都會(huì)變成非線性，光纖也不例外。盡管用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于纖芯小，纖芯內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)非常高，且作用距離長(zhǎng)，使得光纖中的非線性效應(yīng)會(huì)積累到足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致對(duì)信號(hào)的嚴(yán)重干擾和對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的限制。反之，可以利用非線性現(xiàn)象產(chǎn)生有用的效應(yīng)。比如開發(fā)放大器、調(diào)制器等新型器件。導(dǎo)致新

2、的學(xué)科分支非線性光纖光學(xué)。2022/9/2922.6.1 概述在高強(qiáng)電磁場(chǎng)中任何介質(zhì)對(duì)光的效應(yīng)都會(huì)變成非線 光纖中的非線性效應(yīng)可分為兩類:一、受激非彈性散射：光場(chǎng)經(jīng)過非彈性散射將能量傳遞給介質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)。包括：受激布里淵散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)二、非線性折射率：光纖折射率與光強(qiáng)的相關(guān)性產(chǎn)生的效應(yīng)。包括：自相位調(diào)制(SPM)、互相位調(diào)制(XPM)和四波混頻(FWM)2022/9/293 光纖中的非線性效應(yīng)可分為兩類:2022/9/27非線性效應(yīng)概述SBS、SRS及FWM過程所引起的波長(zhǎng)信道的增益或損耗與光信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)。這些非線性過程對(duì)某些信道提供增益而對(duì)另一些信道則產(chǎn)生功率損耗，

3、從而使各個(gè)波長(zhǎng)間產(chǎn)生串?dāng)_。SPM和XPM都只影響信號(hào)的相位，從而使脈沖產(chǎn)生啁啾，這將會(huì)加快色散引起的脈沖展寬，尤其在高速系統(tǒng)中。在光纖中傳輸中光脈沖，脈沖從前到后頻率有變化叫做啁啾。2022/9/294非線性效應(yīng)概述SBS、SRS及FWM過程所引起的波長(zhǎng)信道的增 所有這些非線性中的任意一種效應(yīng)引起信號(hào)損傷時(shí)，需要獲得一些附加功率，以維持BER與原先無(wú)非線性效應(yīng)時(shí)一樣。這部分附加功率（以分貝為單位）就是相應(yīng)非線性效應(yīng)的功率代價(jià)。非線性效應(yīng)與傳輸距離和纖芯內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)有著密切的關(guān)系，為此引入兩個(gè)基本參量：有效長(zhǎng)度和有效面積。非線性效應(yīng)概述2022/9/295 所有這些非線性中的任意一種效應(yīng)引起信號(hào)損傷時(shí)

4、，需要獲得一些1. 有效長(zhǎng)度Leff：當(dāng)L很大時(shí)，對(duì)于損耗為0.2dB/km的光纖,Leff約20km 非線性對(duì)信號(hào)的影響完全隨距離增加而增加。但是，由于光纖損耗而帶來信號(hào)功率連續(xù)下降，需要對(duì)上述說法進(jìn)行修正。實(shí)際上，可以采用一個(gè)簡(jiǎn)單而足夠精確的模型來假定功率在一段光纖長(zhǎng)度內(nèi)為常數(shù)。LLeffP(0)實(shí)際傳輸距離2022/9/2961. 有效長(zhǎng)度Leff：當(dāng)L很大時(shí)，對(duì)于損耗為0.2dB/2. 有效面積Aeff模場(chǎng)分布為高斯分布時(shí),Aeff=W2普通單模光纖的Aeff80m2色散位移光纖的Aeff55m2色散補(bǔ)償光纖的Aeff20m2Aeff非線性效應(yīng)隨光纖中光強(qiáng)的增大而增大。對(duì)于一個(gè)給定的光

5、纖，光強(qiáng)反比于光纖纖芯的橫截面積。由于光功率在光纖纖芯內(nèi)不是均勻分布的，為簡(jiǎn)單起見，采用有效面積Aeff表示。2022/9/2972. 有效面積Aeff模場(chǎng)分布為高斯分布時(shí),Aeff=W2.6.2 受激非彈性散射一、概述受激非彈性散射：散射光頻率下移，光場(chǎng)把部分能量傳遞給介質(zhì)。一個(gè)高能量光子（通常稱為泵浦）被散射成一個(gè)低能量的光子（斯托克斯光），同時(shí)產(chǎn)生能量為兩光子能量差的另一個(gè)能量子SBS參與的能量子為聲學(xué)聲子，只有后向散射SRS參與的能量子為光學(xué)聲子，以前向散射為主，但也有后向散射2022/9/2982.6.2 受激非彈性散射一、概述2022/9/278在高功率傳輸時(shí)，光纖中的受激喇曼散射

6、和受激布里淵散射能導(dǎo)致相當(dāng)大的損耗，一旦入射光功率超過閾值，散射光強(qiáng)將指數(shù)增長(zhǎng)。是一種閾值行為。閾值功率：在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖輸出端因非彈性散射而損耗了50%的輸入功率，這個(gè)輸入功率叫做閾值功率。受激非彈性散射2022/9/299受激非彈性散射2022/9/279二、受激布里淵散射（SBS）（1）2、閾值功率1、機(jī)理SBS可描述為泵浦光、斯托克斯波和聲波之間的參量互作用?？煽醋魇且粋€(gè)泵浦光子的湮滅，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)斯托克斯光子和一個(gè)聲學(xué)聲子。閾值功率Pth與光纖的衰減系數(shù)、光纖有效長(zhǎng)度Leff、布里淵增益系數(shù)gB和光纖的有效面積Aeff有關(guān)，可近似寫為：L足夠長(zhǎng)時(shí)，Leff 1/，而Aeff可用w2代

7、替，w為模場(chǎng)半徑2022/9/2910二、受激布里淵散射（SBS）（1）2、閾值功率1、機(jī)理SBS峰值增益gB510-11m/W，這樣Pth可低至1mW，特別是在1550nm最低損耗處，將極大地限制光波系統(tǒng)的注入功率。但以上估計(jì)忽略了與入射光有關(guān)的譜寬效應(yīng)，在典型系統(tǒng)中閾值功率可增大至10mW或更高。二、受激布里淵散射（SBS）（2）3、特點(diǎn)增益帶寬窄（約10GHz），這說明SBS效應(yīng)被約束在WDM系統(tǒng)的單個(gè)波長(zhǎng)信道內(nèi)。閾值功率與光源線寬有關(guān)，光源線寬越窄，閾值功率越低2022/9/2911峰值增益gB510-11m/W，這樣Pth可低至1mW，4、減小SBS對(duì)系統(tǒng)影響的主要措施減低入纖功率（

8、減小中繼間隔）增加光源線寬（色散限制）5、一般情況下，SBS在光纖通信系統(tǒng)中是一種有害的因素，應(yīng)注意減小。但由于它能通過將具有合適波長(zhǎng)的泵浦場(chǎng)的能量傳遞給另一波長(zhǎng)的光場(chǎng)，使該光場(chǎng)得到放大，所以能用于制造布里淵放大器。但由于其增益譜寬窄，放大器的帶寬也很窄。二、受激布里淵散射（SBS）（3）2022/9/29124、減小SBS對(duì)系統(tǒng)影響的主要措施5、一般情況下，SBS在光三、受激喇曼散射（SRS）（1）SRS：入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)分子完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷。SRS是非線性光纖光學(xué)中一個(gè)很重要的非線性過程，它可使光纖成為寬帶喇曼放大器和可調(diào)諧喇曼激光器，也可使某信

9、道中的能量轉(zhuǎn)移到相鄰信道中，從而嚴(yán)重影響多信道光通信系統(tǒng)的性能。2022/9/2913三、受激喇曼散射（SRS）（1）SRS：入射光波的一個(gè)光子被三、受激喇曼散射（SRS）（2）1、功率閾值gR-喇曼增益SRS的閾值功率較高。由于光波系統(tǒng)中的注入功率一般低于10mW，因此SRS一般對(duì)光纖損耗不起作用。2022/9/2914三、受激喇曼散射（SRS）（2）1、功率閾值gR-喇曼增益1 2 3 4 1 2 3 4fiber2、特點(diǎn)增益帶寬寬（約125nm），影響其它信道功率WDM系統(tǒng)中，較高頻率的信號(hào)成為所有較低頻率信號(hào)的泵浦源，頻率最高的信道功率消耗最大。三、受激喇曼散射（SRS）（3）2022

10、/9/29151 2 3 4 1 2 3、減小SRS對(duì)系統(tǒng)影響的主要措施減低入纖功率（減小中繼間隔）減小信道間隔4、利用：喇曼光纖放大器高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，為FRA的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。FRA可以提供整個(gè)波長(zhǎng)波段的放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長(zhǎng)，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大。三、受激喇曼散射（SRS）（4）2022/9/29163、減小SRS對(duì)系統(tǒng)影響的主要措施4、利用：喇曼光纖放大器高2.6.3 非線性折射率在較高入射光功率下，纖芯折射率應(yīng)表示為：光場(chǎng)幅度的有效值或均方根線性折射率非線性折射率或Kerr系數(shù)折射率的非線性影響一般很小。但光纖中大部分非線性效應(yīng)都起源于非線

11、性折射率。2022/9/29172.6.3 非線性折射率在較高入射光功率下，纖芯折射率應(yīng)表一、自相位調(diào)制SPM折射率非線性分量的出現(xiàn)將引起導(dǎo)模傳播常數(shù)的變化，使傳播常數(shù)增加了一附加項(xiàng)：光纖有效截面積由模場(chǎng)自己產(chǎn)生的非線性效應(yīng)而引起的非線性相移稱為自相位調(diào)制，信號(hào)光強(qiáng)的瞬間變化引起其自身的相位調(diào)制。線性傳輸時(shí)的傳播常數(shù)非線性系數(shù)光纖中傳輸?shù)墓β?022/9/2918一、自相位調(diào)制SPM折射率非線性分量的出現(xiàn)將引起導(dǎo)模傳播常數(shù) 非線性相移非線性相移與信號(hào)功率成比例增大，輸入信號(hào)功率越大，非線性效應(yīng)越強(qiáng)。SPM不僅隨光強(qiáng)而變，而且隨時(shí)間變化，這種瞬時(shí)變化相移將引起光脈沖的頻譜展寬，導(dǎo)致在光脈沖的中心

12、兩側(cè)出現(xiàn)不同的瞬時(shí)光頻率，即出現(xiàn)頻率啁啾。2022/9/2919 非線性相移非線性相移與信號(hào)功率成比例增大，輸入信號(hào)功率越 頻率啁啾 相位調(diào)制導(dǎo)致的頻率啁啾為：頻率啁啾隨傳輸距離增大而增大，因此隨著光脈沖沿光纖傳輸將不斷產(chǎn)生新的頻率分量，頻譜將不斷展寬。脈沖頻譜的展寬程度還與脈沖形狀有關(guān)。2022/9/2920 頻率啁啾 相位調(diào)制導(dǎo)致的頻率啁啾為：頻率啁啾隨傳輸距離增SPM特點(diǎn)SPM導(dǎo)致頻率啁啾，正比于光強(qiáng)對(duì)時(shí)間的微分頻率啁啾將導(dǎo)致脈沖譜寬增加SPM與色散共同作用，在正常色散區(qū)，加劇脈沖展寬速度；在反常色散區(qū)減低脈沖展寬速度(但SPM將導(dǎo)致脈沖畸變)，在一定條件下，可以使色散效應(yīng)與SPM效應(yīng)互

13、相抵消，實(shí)現(xiàn)脈沖無(wú)畸變傳輸-孤子非線性效應(yīng)產(chǎn)生的自相位調(diào)制一般不大，對(duì)IM/DD系統(tǒng)無(wú)關(guān)緊要，但在級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)和WDM系統(tǒng)中則不容忽視，在相干波系統(tǒng)中也不能忽視2022/9/2921SPM特點(diǎn)SPM導(dǎo)致頻率啁啾，正比于光強(qiáng)對(duì)時(shí)間的微分2022二、互相位調(diào)制XPM在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中（WDM），光強(qiáng)的變化引起相位的變化，由于相鄰信道間的相互作用，引起交叉相位調(diào)制。 XPM是不同波長(zhǎng)的光脈沖在光纖中共同傳輸時(shí)引起的一種光場(chǎng)的非線性相移。特點(diǎn)：信道光信號(hào)產(chǎn)生的非線性相移不僅取決于其自身的強(qiáng)度或功率，也取決于其他信道信號(hào)功率，因而第j信道的相移可寫為：M：信道總數(shù)；Pj：信道功率（j1M）；因子2表明在同樣

14、功率下XPM的影響是SPM的兩倍，這樣總相移就與所有信道功率和有關(guān)，并根據(jù)相鄰信道比特圖形而變化。2022/9/2922二、互相位調(diào)制XPM在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中（WDM），光強(qiáng)的變化引起 說明：在WDM系統(tǒng)中，某信道的XPM是其它信道共同作用的結(jié)果。XPM已成為WDM系統(tǒng)主要的功率限制因素之一。XPM與信道間隔以及信道數(shù)有關(guān)，大的信道間隔，加快了信道間的走離，有助于減小XPM。由于各信道之間偏振態(tài)的隨機(jī)性，XPM又呈現(xiàn)出復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)特性。 減小影響的主要方法：增大信道間隔減低信號(hào)功率相鄰信道正交偏振2022/9/2923 說明： 減小影響的主要方法：2022/9/2723三、四波混頻FWMFWM： 光纖中不同波長(zhǎng)的光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長(zhǎng)上產(chǎn)生所謂混頻產(chǎn)物或邊帶的新光波的現(xiàn)象。2022/9/2924三、四波混頻FWMFWM：2022/9/2724對(duì)于等間隔的WDM系統(tǒng)，這些頻率分量將與信號(hào)頻率重疊，形成信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。123 特點(diǎn)：小的色散光纖，相位匹配易于滿足，F(xiàn)WM越加嚴(yán)重，故應(yīng)在色散與FWM之間取折衷。 減小影響：增加信道間隔、適當(dāng)加大色散、非等間隔信道、減小光功率