第8章非線性光學(xué)效應(yīng)及應(yīng)用

1、光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著1第第8章章 非線性光學(xué)效應(yīng)及應(yīng)用非線性光學(xué)效應(yīng)及應(yīng)用 8.1 非線性光學(xué)效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng) 8.2 光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器 8.3 光纖孤子通信光纖孤子通信 8.4 波長轉(zhuǎn)換器波長轉(zhuǎn)換器光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著28.1 非線性光學(xué)效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng) 8.1.1 非線性光學(xué)效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng) 8.1.2 幾種光纖非線性光學(xué)效應(yīng)幾種光纖非線性光學(xué)效應(yīng)光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著38.1.1 非線性光學(xué)效應(yīng)非線性光學(xué)效應(yīng)光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著4圖圖8.1.1 強(qiáng)電場引起非線性光學(xué)效應(yīng)強(qiáng)電場引起非線性光學(xué)效應(yīng)光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮

2、邱琪 編著58.1.2 幾種光纖非線性光學(xué)效應(yīng)幾種光纖非線性光學(xué)效應(yīng) 在強(qiáng)電磁場的作用下，任何介質(zhì)對光的響應(yīng)都在強(qiáng)電磁場的作用下，任何介質(zhì)對光的響應(yīng)都是非線性的，光纖也不例外。是非線性的，光纖也不例外。SiO2本身雖不是本身雖不是強(qiáng)的非線性材料，但作為傳輸波導(dǎo)的光纖，其強(qiáng)的非線性材料，但作為傳輸波導(dǎo)的光纖，其纖芯的橫截面積非常小，高功率密度光經(jīng)過長纖芯的橫截面積非常小，高功率密度光經(jīng)過長距離的傳輸，光纖非線性效應(yīng)就不可忽視了。距離的傳輸，光纖非線性效應(yīng)就不可忽視了。 光纖非線性光學(xué)效應(yīng)是光和光纖介質(zhì)相互作用光纖非線性光學(xué)效應(yīng)是光和光纖介質(zhì)相互作用的一種物理效應(yīng)，這種效應(yīng)主要來源于介質(zhì)材的一種物

3、理效應(yīng)，這種效應(yīng)主要來源于介質(zhì)材料的三階極化率料的三階極化率 3； 與其相關(guān)的非線性效應(yīng)主要有受激拉曼散射與其相關(guān)的非線性效應(yīng)主要有受激拉曼散射（SRS）、受激布里淵散射（）、受激布里淵散射（SBS）、自相位）、自相位調(diào)制（調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（）、交叉相位調(diào)制（XPM）和四）和四波混合（波混合（FWM），以及孤子（），以及孤子（Soliton）效應(yīng)）效應(yīng)等。等。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著61. 受激光散射受激光散射 拉曼散射和布里淵散射是非彈性散射，光波和拉曼散射和布里淵散射是非彈性散射，光波和介質(zhì)相互作用時(shí)要交換能量。介質(zhì)相互作用時(shí)要交換能量。 在高功率時(shí)，受激拉曼散射和受

4、激布里淵散射在高功率時(shí)，受激拉曼散射和受激布里淵散射都將導(dǎo)致大的光損耗。當(dāng)入射光功率超過一定都將導(dǎo)致大的光損耗。當(dāng)入射光功率超過一定閾值時(shí)，兩種散射的光強(qiáng)都隨入射光功率成指閾值時(shí)，兩種散射的光強(qiáng)都隨入射光功率成指數(shù)增加，差別是受激拉曼散射在單模光纖的后數(shù)增加，差別是受激拉曼散射在單模光纖的后向發(fā)生，而受受激布里淵散射則在前向發(fā)生。向發(fā)生，而受受激布里淵散射則在前向發(fā)生。 受激布里淵散射限制了注入光功率，特別是相受激布里淵散射限制了注入光功率，特別是相干光通信系統(tǒng)。干光通信系統(tǒng)。 利用受激拉曼散射和受激布里淵散射的特性，利用受激拉曼散射和受激布里淵散射的特性，把泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的能量，實(shí)

5、現(xiàn)信把泵浦光的能量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的能量，實(shí)現(xiàn)信號(hào)光的放大。號(hào)光的放大。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著72. 非線性折射率調(diào)制效應(yīng)非線性折射率調(diào)制效應(yīng)（1）自相位調(diào)制（）自相位調(diào)制（SPM） 在討論光纖模式時(shí)，認(rèn)為在討論光纖模式時(shí)，認(rèn)為 SiO2 光纖的折射率與入射光光纖的折射率與入射光功率無關(guān)。在低功率情況下，可得到很好的近似結(jié)果。功率無關(guān)。在低功率情況下，可得到很好的近似結(jié)果。但在高功率情況下，必須考慮非線性效應(yīng)的影響。但在高功率情況下，必須考慮非線性效應(yīng)的影響。 由于非線性折射率效應(yīng)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非線性相移。由于非線性折射率效應(yīng)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非線性相移。對于強(qiáng)度調(diào)制直接檢測系統(tǒng)，這種相

6、位移不會(huì)產(chǎn)生影對于強(qiáng)度調(diào)制直接檢測系統(tǒng)，這種相位移不會(huì)產(chǎn)生影響，但在相干光纖通信系統(tǒng)中，相位的穩(wěn)定性十分重響，但在相干光纖通信系統(tǒng)中，相位的穩(wěn)定性十分重要要 。在相干光通信系統(tǒng)中，折射率對功率的依賴關(guān)系。在相干光通信系統(tǒng)中，折射率對功率的依賴關(guān)系將是限制系統(tǒng)的一個(gè)因素。將是限制系統(tǒng)的一個(gè)因素。 對于很窄的光脈沖，對于很窄的光脈沖，SPM可以減少色散引起的光脈沖可以減少色散引起的光脈沖展寬。在光纖沒有損耗時(shí)，如選擇光脈沖的峰值功率展寬。在光纖沒有損耗時(shí)，如選擇光脈沖的峰值功率與一階光孤子的一致，光脈沖就可以保持它的幅度和與一階光孤子的一致，光脈沖就可以保持它的幅度和形狀而不會(huì)畸變。形狀而不會(huì)畸變

7、。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著8（2）交叉相位調(diào)制（）交叉相位調(diào)制（XPM） 當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的信道使用不同的載頻同時(shí)當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的信道使用不同的載頻同時(shí)在光纖中傳輸時(shí)，折射率與光功率的依賴關(guān)系在光纖中傳輸時(shí)，折射率與光功率的依賴關(guān)系也可以導(dǎo)致也可以導(dǎo)致XPM。這樣某一信道的非線性相位。這樣某一信道的非線性相位移不僅與本信道的功率有關(guān)，而且與其他信道移不僅與本信道的功率有關(guān)，而且與其他信道的功率有關(guān)的功率有關(guān) 。 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，某一信道的非線性相位移在數(shù)字通信系統(tǒng)中，某一信道的非線性相位移不僅與所有信道的功率有關(guān)，并且與信道碼型不僅與所有信道的功率有關(guān)，并且與信道碼型也有關(guān)，如果

8、假設(shè)所有信道具有相同的功率，也有關(guān)，如果假設(shè)所有信道具有相同的功率，則在所有信道都是則在所有信道都是“1”碼的最壞情況下，碼的最壞情況下，10個(gè)個(gè)信道的信道功率也被限制到低于信道的信道功率也被限制到低于1 mW。很顯。很顯然，然，XPM可能是一個(gè)主要的功率限制因素?？赡苁且粋€(gè)主要的功率限制因素。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著9（3）四波混頻）四波混頻及其對及其對 DWDM 系統(tǒng)的影響和系統(tǒng)的影響和對策對策 圖圖8.1.2 四波混頻產(chǎn)生了新的頻率分量四波混頻產(chǎn)生了新的頻率分量 ffwm= f 1 + f2 f3 石英光纖的三階極化石英光纖的三階極化 3率不為零，可以引起四波混頻率不為零，可以

9、引起四波混頻（FWM），如果有三個(gè)頻率分別為），如果有三個(gè)頻率分別為f 1 、 f2 、 f3 的光場同的光場同時(shí)在光纖中傳輸，時(shí)在光纖中傳輸， 3將會(huì)引起頻率為將會(huì)引起頻率為f4的第四個(gè)場的第四個(gè)場 f4= f 1 f2 f3 在多信道復(fù)用系統(tǒng)中，在多信道復(fù)用系統(tǒng)中，ffwm= f 1 + f2 f3組合最為不利，特別組合最為不利，特別是當(dāng)信道間隔相當(dāng)小的時(shí)候（約是當(dāng)信道間隔相當(dāng)小的時(shí)候（約1 GHz），相位匹配條件很），相位匹配條件很容易滿足，有相當(dāng)大的信道功率可能通過四波混頻被轉(zhuǎn)換容易滿足，有相當(dāng)大的信道功率可能通過四波混頻被轉(zhuǎn)換到到ffwm光場中。光場中。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪

10、 編著108.2 光纖拉曼放大器光纖拉曼放大器 EDFA只能工作在只能工作在1 5301 564 nm之間的之間的C 波段；波段； 光纖拉曼放大器可用于全波光纖工作窗口。光纖拉曼放大器可用于全波光纖工作窗口。 因?yàn)榉植际嚼糯笃鞯脑鲆骖l譜只由泵浦波因?yàn)榉植际嚼糯笃鞯脑鲆骖l譜只由泵浦波長決定，而與摻雜物的能級電平無關(guān)，所以只長決定，而與摻雜物的能級電平無關(guān)，所以只要泵浦波長適當(dāng)，就可以在任意波長獲得信號(hào)要泵浦波長適當(dāng)，就可以在任意波長獲得信號(hào)光的增益光的增益 光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)系統(tǒng)和無中繼海底光纜系統(tǒng)中。和無中繼海底光纜系統(tǒng)中。光子學(xué)與光電

11、子學(xué) 原榮 邱琪 編著118.2.1 光纖拉曼放大器的工作原理光纖拉曼放大器的工作原理 增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖；增益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖； 工作原理：工作原理：基于非線性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光基于非線性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光通過光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，使組成光纖通過光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生受激拉曼散射，使組成光纖的硅分子振動(dòng)和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生的硅分子振動(dòng)和泵浦光之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生比泵浦光波長比泵浦光波長 P還長的散射光（斯托克斯光還長的散射光（斯托克斯光 P R ）。）。 該散射光與波長相同的信號(hào)光該散射光與波長相同的信號(hào)光 s 重疊，從而使弱重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼增益。信

12、號(hào)光放大，獲得拉曼增益。 就石英玻璃而言，泵浦光波長與待放大信號(hào)光波就石英玻璃而言，泵浦光波長與待放大信號(hào)光波長之間的頻率差大約為長之間的頻率差大約為13 THz，在，在1.5 m波段，波段，由附錄由附錄G可知，它相當(dāng)于約可知，它相當(dāng)于約100 nm的波長差，即的波長差，即有有100 nm的增益帶寬。的增益帶寬。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著12分布式拉曼放大器分布式拉曼放大器（DRA）的的工作原理工作原理 采用拉曼放大時(shí)，放大波段只依賴于泵浦光的采用拉曼放大時(shí)，放大波段只依賴于泵浦光的波長，沒有像波長，沒有像EDFA那樣的放大波段的限制。那樣的放大波段的限制。從原理上講，只要采用合適的

13、泵浦光波長，就從原理上講，只要采用合適的泵浦光波長，就完全可以對任意輸入光進(jìn)行放大。完全可以對任意輸入光進(jìn)行放大。 分布式光纖拉曼放大器（分布式光纖拉曼放大器（DRA）采用強(qiáng)泵浦光）采用強(qiáng)泵浦光對傳輸光纖進(jìn)行泵浦，可以采用前向泵浦，也對傳輸光纖進(jìn)行泵浦，可以采用前向泵浦，也可以采用后向泵浦，因后向泵浦減小了泵浦光可以采用后向泵浦，因后向泵浦減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長度，從而也就減小了泵和信號(hào)光相互作用的長度，從而也就減小了泵浦噪聲對信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。浦噪聲對信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。圖圖8.2.1為采用前向泵浦的分布式光纖拉曼放大為采用前向泵浦的分布式光纖拉曼放大

14、器的構(gòu)成和能級圖。器的構(gòu)成和能級圖。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著13 如果一個(gè)弱信號(hào)光與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根光纖中傳輸，如果一個(gè)弱信號(hào)光與一個(gè)強(qiáng)泵浦光同時(shí)在一根光纖中傳輸， 并且弱信號(hào)光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，并且弱信號(hào)光的波長在泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)， 產(chǎn)生比泵浦光波長還長的散射光（斯托克斯光）。該散射光產(chǎn)生比泵浦光波長還長的散射光（斯托克斯光）。該散射光與波長相同的信號(hào)光重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼與波長相同的信號(hào)光重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼增益。增益。 圖圖8.2.1 分布式拉曼放大器的工作原理分布式拉曼放大器的工作原理光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著14

15、受激拉曼散射受激拉曼散射 (SRS)本質(zhì)上本質(zhì)上與受激光發(fā)射與受激光發(fā)射(SOA)不同不同 在受激發(fā)射中，入射光子激發(fā)另一個(gè)相同的光在受激發(fā)射中，入射光子激發(fā)另一個(gè)相同的光子發(fā)射而沒有損失它自己的能量；子發(fā)射而沒有損失它自己的能量； 但在但在SRS中，入射泵浦光子放棄了它自己的能中，入射泵浦光子放棄了它自己的能量，產(chǎn)生了另一個(gè)較低能量（較長波長）的光量，產(chǎn)生了另一個(gè)較低能量（較長波長）的光子。子。 與與SOA電泵浦不同，電泵浦不同，SRS必須光泵浦，也不要必須光泵浦，也不要求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。事實(shí)上，求粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。事實(shí)上，SRS是一種非諧振非是一種非諧振非線性現(xiàn)象，它不要求粒子數(shù)在能級間轉(zhuǎn)移。線性現(xiàn)

16、象，它不要求粒子數(shù)在能級間轉(zhuǎn)移。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著15 a）介質(zhì)受激拉曼散射放大信號(hào)光的能級圖介質(zhì)受激拉曼散射放大信號(hào)光的能級圖 泵浦光和信號(hào)光的頻率差稱為斯托克斯（泵浦光和信號(hào)光的頻率差稱為斯托克斯（Stokes）頻差）頻差 在在SRS過程中扮演著重要的角色。由分子振動(dòng)能級確定的過程中扮演著重要的角色。由分子振動(dòng)能級確定的 值決定了發(fā)生值決定了發(fā)生SRS的頻率（或波長）范圍。的頻率（或波長）范圍。 幸好，由于玻璃的非結(jié)晶性，硅分子的振動(dòng)能級匯合在一起就構(gòu)成了一個(gè)能帶，幸好，由于玻璃的非結(jié)晶性，硅分子的振動(dòng)能級匯合在一起就構(gòu)成了一個(gè)能帶，如圖如圖8.2.2（a）所示，其結(jié)果是信

17、號(hào)光在很寬的頻率范圍內(nèi)（約）所示，其結(jié)果是信號(hào)光在很寬的頻率范圍內(nèi)（約20 THz），通），通過過SRS仍可獲得放大。仍可獲得放大。 8.2.2 拉曼增益拉曼增益和帶寬和帶寬RpsR光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著16圖圖8.2.2b 受激拉曼散射能級和受激拉曼散射能級和拉曼放大增益頻譜拉曼放大增益頻譜 b) 測量到的拉測量到的拉曼增益系數(shù)頻曼增益系數(shù)頻譜譜 增益帶寬可以增益帶寬可以達(dá)到約達(dá)到約8 THz。光纖拉曼放大光纖拉曼放大器相當(dāng)大的帶器相當(dāng)大的帶寬使它們在光寬使它們在光纖通信應(yīng)用中纖通信應(yīng)用中具有極大的吸具有極大的吸引力。引力。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著17 圖圖8.2.3

18、小信號(hào)光在長光纖內(nèi)的拉曼增益小信號(hào)光在長光纖內(nèi)的拉曼增益 由圖可見，由圖可見，又一次實(shí)驗(yàn)又一次實(shí)驗(yàn)證明，信號(hào)證明，信號(hào)光和泵浦光光和泵浦光的頻率差為的頻率差為13.2 THz時(shí)，時(shí)，拉曼增益達(dá)拉曼增益達(dá)到最大到最大 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著188.2.3 放大倍放大倍數(shù)和增數(shù)和增益飽和益飽和 圖圖8.2.4表示測量到的光纖拉曼放大增益或放大倍數(shù)與泵表示測量到的光纖拉曼放大增益或放大倍數(shù)與泵浦功率的關(guān)系，該實(shí)驗(yàn)使用的光纖拉曼放大器長浦功率的關(guān)系，該實(shí)驗(yàn)使用的光纖拉曼放大器長1.3 km，泵浦光波長和信號(hào)光波長圖中已標(biāo)出。放大倍數(shù)開始隨泵浦光波長和信號(hào)光波長圖中已標(biāo)出。放大倍數(shù)開始隨泵浦

19、光指數(shù)增加，但是當(dāng)泵浦功率大于泵浦光指數(shù)增加，但是當(dāng)泵浦功率大于1W時(shí)，因?yàn)樵鰰r(shí)，因?yàn)樵鲆骘柡?，開始偏離指數(shù)規(guī)律。益飽和，開始偏離指數(shù)規(guī)律。 由圖可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和按式（由圖可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和按式（8.2.3）和式（）和式（8.2.4）的計(jì)）的計(jì)算值符合得很好，算值符合得很好，1.5 W的泵浦功率可以獲得的泵浦功率可以獲得30 dB的增的增益。益。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著198.2.4 噪聲指數(shù)噪聲指數(shù)光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著208.2.5 多波長泵浦增益帶寬多波長泵浦增益帶寬 增益波長由泵浦光波長決定，選擇適當(dāng)增益波長由泵浦光波長決定，選擇適當(dāng)?shù)谋闷止獠ㄩL，可得到任意波長的

20、光信的泵浦光波長，可得到任意波長的光信號(hào)放大。號(hào)放大。 分布式光纖拉曼放大器的增益頻譜是每分布式光纖拉曼放大器的增益頻譜是每個(gè)波長的泵浦光單獨(dú)產(chǎn)生的增益頻譜疊個(gè)波長的泵浦光單獨(dú)產(chǎn)生的增益頻譜疊加的結(jié)果，所以它是由泵浦光波長的數(shù)加的結(jié)果，所以它是由泵浦光波長的數(shù)量和種類決定的。量和種類決定的。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著21該圖表示該圖表示6個(gè)個(gè)泵浦波長單獨(dú)泵浦波長單獨(dú)泵浦時(shí)，產(chǎn)生泵浦時(shí)，產(chǎn)生的增益頻譜和的增益頻譜和總的增益頻譜總的增益頻譜曲線。曲線。由圖可見，當(dāng)由圖可見，當(dāng)泵浦光波長逐泵浦光波長逐漸向長波長方漸向長波長方向移動(dòng)時(shí)，增向移動(dòng)時(shí)，增益曲線峰值也益曲線峰值也逐漸向長波長逐漸向

21、長波長方向移動(dòng)。方向移動(dòng)。圖圖8.2.5 多波長泵浦增益頻譜多波長泵浦增益頻譜1 14 48 80 01 15 52 20 01 15 56 60 01 16 60 00 01 16 64 40 00 05 51 10 01 15 52 20 02 25 5增增益益( (d dB B) )波波長長（n nm m）喇喇曼曼總總增增益益是是各各泵泵浦浦波波長長光光產(chǎn)產(chǎn)生生的的增增益益之之和和1464nm1402nm1423nm1443nm1495nm泵浦產(chǎn)生的增益總總增增益益光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著22可以采用前向泵浦可以采用前向泵浦, ,也可以采用后向泵浦，因也可以采用后向泵浦，因后向

22、泵浦后向泵浦減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長度，從而也就減小減小了泵浦光和信號(hào)光相互作用的長度，從而也就減小了了泵浦噪聲對泵浦噪聲對信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦信號(hào)的影響，所以通常采用后向泵浦。光纖分布式喇曼放大器（光纖分布式喇曼放大器（DRA）構(gòu)成）構(gòu)成-后向泵浦后向泵浦W WD DM M傳傳輸輸光光纖纖信信號(hào)號(hào)光光泵泵浦浦光光光光復(fù)復(fù)用用器器泵泵浦浦光光增增益益平平坦坦濾濾波波器器入入1 1入入2 2光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著238.2.6 光纖拉曼放大（光纖拉曼放大（DRA）技術(shù)應(yīng)用）技術(shù)應(yīng)用由于由于DRA采用分布光纖增益放大技術(shù)，其噪聲系數(shù)明顯比傳采用分布光纖增益放大技術(shù)，

23、其噪聲系數(shù)明顯比傳統(tǒng)的光纖拉曼放大器小。因此，統(tǒng)的光纖拉曼放大器小。因此，DRA與與EDFA的組合使用，的組合使用，可明顯地提高長距離光纖通信系統(tǒng)的總增益，降低系統(tǒng)的總可明顯地提高長距離光纖通信系統(tǒng)的總增益，降低系統(tǒng)的總噪聲，提高系統(tǒng)的噪聲，提高系統(tǒng)的Q值，從而可以擴(kuò)大系統(tǒng)所能傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)值，從而可以擴(kuò)大系統(tǒng)所能傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。距離。由于由于DRA與與EDFA的組合使用，擴(kuò)大了系統(tǒng)傳輸?shù)木嚯x，從的組合使用，擴(kuò)大了系統(tǒng)傳輸?shù)木嚯x，從而減少了均衡、再生和定時(shí)功能（而減少了均衡、再生和定時(shí)功能（3R）中繼器的使用數(shù)量，）中繼器的使用數(shù)量，降低了系統(tǒng)的成本，可獲得更大的商業(yè)利潤。降低了系統(tǒng)的成本，可獲得

24、更大的商業(yè)利潤。DRA也是提升現(xiàn)有的光纖線路到也是提升現(xiàn)有的光纖線路到40 Gb/s和和100 Gb/s的關(guān)鍵器的關(guān)鍵器件。件。 由于使用由于使用DRA減小了入射信號(hào)的光功率，降低了光纖非線性減小了入射信號(hào)的光功率，降低了光纖非線性的影響，從而避免了四波混頻效應(yīng)的影響，可使的影響，從而避免了四波混頻效應(yīng)的影響，可使DWDM系系統(tǒng)的信道間距減小，相當(dāng)于擴(kuò)大了系統(tǒng)的帶寬容量。另外，統(tǒng)的信道間距減小，相當(dāng)于擴(kuò)大了系統(tǒng)的帶寬容量。另外，由于四波混頻效應(yīng)影響的減小，允許使用靠近光纖的零色散由于四波混頻效應(yīng)影響的減小，允許使用靠近光纖的零色散點(diǎn)窗口，光纖的可用窗口也擴(kuò)大了。點(diǎn)窗口，光纖的可用窗口也擴(kuò)大了。

25、 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著24圖圖8.2.6 光功率在分布式光纖拉曼放大光功率在分布式光纖拉曼放大傳輸光纖中的分布傳輸光纖中的分布 由圖可見，在光纖的后半段，信號(hào)光功率電平已足夠由圖可見，在光纖的后半段，信號(hào)光功率電平已足夠低，所以不會(huì)產(chǎn)生光纖的非線性影響。低，所以不會(huì)產(chǎn)生光纖的非線性影響。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著258.3 光纖孤子通信光纖孤子通信 光纖孤子通信系統(tǒng)是又一個(gè)光纖非線性應(yīng)用的光纖孤子通信系統(tǒng)是又一個(gè)光纖非線性應(yīng)用的典型事例。典型事例。 孤子（孤子（soliton）被用來描述在非線性介質(zhì)中脈）被用來描述在非線性介質(zhì)中脈沖包絡(luò)像粒子的特性，在一定的條件下，該包沖

26、包絡(luò)像粒子的特性，在一定的條件下，該包絡(luò)不僅無畸變的傳輸，而且存在著像粒子那樣絡(luò)不僅無畸變的傳輸，而且存在著像粒子那樣的碰撞特性。的碰撞特性。 光纖中也存在孤子，光孤子是一種特別的波，光纖中也存在孤子，光孤子是一種特別的波，它可以傳輸很長的距離而不變形，而且即使兩它可以傳輸很長的距離而不變形，而且即使兩列光孤子波相互碰撞后，依然保持各自原來的列光孤子波相互碰撞后，依然保持各自原來的形狀不變。形狀不變。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著268.3.1 基本概念基本概念 光纖孤子的存在是光纖群速度色散（光纖孤子的存在是光纖群速度色散（GVD）和自相）和自相位調(diào)制（位調(diào)制（SPM）平衡的結(jié)果。大家知

27、道群速度色散）平衡的結(jié)果。大家知道群速度色散和自相位調(diào)制單獨(dú)作用于光纖傳輸?shù)墓饷}沖時(shí)均限和自相位調(diào)制單獨(dú)作用于光纖傳輸?shù)墓饷}沖時(shí)均限制光纖通信系統(tǒng)的性能。制光纖通信系統(tǒng)的性能。 群速度色散使傳輸波形展寬，而自相位調(diào)制則使波群速度色散使傳輸波形展寬，而自相位調(diào)制則使波形中較高頻率分量不斷累積，使波形變陡。若將這形中較高頻率分量不斷累積，使波形變陡。若將這兩種對立因素結(jié)合在一起，相互平衡就有可能保特兩種對立因素結(jié)合在一起，相互平衡就有可能保特波形穩(wěn)定不變。波形穩(wěn)定不變。 光孤子現(xiàn)象就是利用隨光強(qiáng)而變化的自相位調(diào)制特光孤子現(xiàn)象就是利用隨光強(qiáng)而變化的自相位調(diào)制特性來補(bǔ)償光纖中的群速度色散，從而使光脈沖

28、波形性來補(bǔ)償光纖中的群速度色散，從而使光脈沖波形在傳輸過程中始終維特不變。光纖傳輸損耗則由光在傳輸過程中始終維特不變。光纖傳輸損耗則由光纖放大器的增益來補(bǔ)償，這樣就可能使光脈沖經(jīng)過纖放大器的增益來補(bǔ)償，這樣就可能使光脈沖經(jīng)過長距離傳輸后仍然維持波形的幅度和波形不變，形長距離傳輸后仍然維持波形的幅度和波形不變，形成所謂的成所謂的“光孤子光孤子”。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著27圖圖8.3.1 光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成框圖光孤子通信系統(tǒng)構(gòu)成框圖 孤子源是一個(gè)光孤子激光器，用來發(fā)射光孤子。調(diào)制器用孤子源是一個(gè)光孤子激光器，用來發(fā)射光孤子。調(diào)制器用來對光孤子進(jìn)行編碼，使之承載信息。孤子放大傳輸線路，來

29、對光孤子進(jìn)行編碼，使之承載信息。孤子放大傳輸線路，包括傳輸光孤子的色散移位光纖和周期性地放大孤子的光包括傳輸光孤子的色散移位光纖和周期性地放大孤子的光纖放大器。探測器對光孤子進(jìn)行探測。除此之外，還有光纖放大器。探測器對光孤子進(jìn)行探測。除此之外，還有光隔離器、超高速光電子集成電子線路等。隔離器、超高速光電子集成電子線路等。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著28光孤子通信系統(tǒng)的工作原理光孤子通信系統(tǒng)的工作原理 光孤子源產(chǎn)生一列脈沖很窄，占空比又很大的光孤子源產(chǎn)生一列脈沖很窄，占空比又很大的光脈沖，即孤子序列，作為信息的載子進(jìn)入光光脈沖，即孤子序列，作為信息的載子進(jìn)入光調(diào)制器。調(diào)制器。 信息通過光調(diào)

30、制器對孤子調(diào)制，使之承載。被信息通過光調(diào)制器對孤子調(diào)制，使之承載。被調(diào)制后的孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后耦合調(diào)制后的孤子流經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后耦合進(jìn)入傳輸光纖。進(jìn)入傳輸光纖。 為了克服光纖損耗引起的孤子展寬，在光纖線為了克服光纖損耗引起的孤子展寬，在光纖線路上周期性地插入光纖放大器，向光孤子注入路上周期性地插入光纖放大器，向光孤子注入能量以補(bǔ)償因光纖損耗引起的能量消耗，確保能量以補(bǔ)償因光纖損耗引起的能量消耗，確保光孤子穩(wěn)定的傳輸。光孤子穩(wěn)定的傳輸。 在接收端，通過光探測器和解調(diào)裝置，使孤子在接收端，通過光探測器和解調(diào)裝置，使孤子承載的信息重現(xiàn)。承載的信息重現(xiàn)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編

31、著29圖圖8.3.2 光孤子在長距離光纖線路上傳輸?shù)牟ㄐ喂夤伦釉陂L距離光纖線路上傳輸?shù)牟ㄐ螘r(shí)間距離( ns )( km )05 000 光孤子在光孤子在5 000 km距離上傳輸?shù)牟ㄐ?。假定光纖損耗距離上傳輸?shù)牟ㄐ?。假定光纖損耗0.2 dB/km，光孤子每，光孤子每100 km被的被的EDFA放大一次，正好補(bǔ)償放大一次，正好補(bǔ)償了了100 km光纖上光纖上20 dB的損耗。盡管經(jīng)過的損耗。盡管經(jīng)過50級級EDFA放大，放大，光孤子形狀也保特得相當(dāng)好。光孤子形狀也保特得相當(dāng)好。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著308.4 波長轉(zhuǎn)換器波長轉(zhuǎn)換器 在在WDM網(wǎng)絡(luò)中，復(fù)用的波長數(shù)目決定了信道的數(shù)網(wǎng)絡(luò)中

32、，復(fù)用的波長數(shù)目決定了信道的數(shù)量。在光纖的量。在光纖的1.55 m窗口，理論上可容納的信道窗口，理論上可容納的信道數(shù)目很大，然而受諸多因素的限制，可用的波長數(shù)數(shù)目很大，然而受諸多因素的限制，可用的波長數(shù)仍然有限，不足以支持大量節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用。仍然有限，不足以支持大量節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用。 在這種情況下，當(dāng)波長相同的兩個(gè)信道選通同一輸在這種情況下，當(dāng)波長相同的兩個(gè)信道選通同一輸出端時(shí)，由于波長爭用而出現(xiàn)阻塞?？朔@些限制出端時(shí)，由于波長爭用而出現(xiàn)阻塞?？朔@些限制的一種方法是把信號(hào)從一個(gè)波長轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長，的一種方法是把信號(hào)從一個(gè)波長轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長，這就是波長轉(zhuǎn)換（這就是波長轉(zhuǎn)換（Wavelength C

33、onversion）。）。 波長轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約資源（光纖、節(jié)點(diǎn)規(guī)模和波波長轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約資源（光纖、節(jié)點(diǎn)規(guī)模和波長）、簡化網(wǎng)絡(luò)管理并降低網(wǎng)絡(luò)互連的復(fù)雜性。長）、簡化網(wǎng)絡(luò)管理并降低網(wǎng)絡(luò)互連的復(fù)雜性。 波長轉(zhuǎn)換的基理可以分為光波長轉(zhuǎn)換的基理可以分為光-電電-光再生型、增益飽光再生型、增益飽和型、相位調(diào)制型和四波混合型和型、相位調(diào)制型和四波混合型 。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著31（a）光光-電電-光光再生波長再生波長轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 接收機(jī)首先把波長為接收機(jī)首先把波長為 1的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后用該電信號(hào)直接調(diào)制另一個(gè)然后用該電信號(hào)直接調(diào)制另一個(gè)LD或外調(diào)制器，或外

34、調(diào)制器，產(chǎn)生所需要波長的光信號(hào)。這種方法很容易實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生所需要波長的光信號(hào)。這種方法很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗褂闷胀ǖ钠骷?。因?yàn)樗褂闷胀ǖ钠骷?其優(yōu)點(diǎn)是與偏振無關(guān)并可以濾除噪聲，其缺點(diǎn)是其優(yōu)點(diǎn)是與偏振無關(guān)并可以濾除噪聲，其缺點(diǎn)是對比特速率和數(shù)據(jù)格式不透明，速度由電子器件對比特速率和數(shù)據(jù)格式不透明，速度由電子器件所限制，成本較高。所限制，成本較高。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著32 （b）SOA增益飽和增益飽和波長轉(zhuǎn)換波長轉(zhuǎn)換 波長為波長為 1的輸入信號(hào)與波長為的輸入信號(hào)與波長為 2（需轉(zhuǎn)換到的目的波長）（需轉(zhuǎn)換到的目的波長）的連續(xù)光同時(shí)耦合進(jìn)的連續(xù)光同時(shí)耦合進(jìn)SOA，兩種光都使，兩種光都使SOA飽和。正因飽和。正因?yàn)闉镾OA處于飽和工作狀態(tài)，處于飽和工作狀態(tài)， 2連續(xù)光對連續(xù)光對“0”碼的放大量碼的