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)電磁場中任何介質(zhì)對光的效應(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)場強(qiáng)非常高，且作用距離長，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)致對信號(hào)的嚴(yán)重干擾和對系統(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)電磁場中任何介質(zhì)對光的效應(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)。這些非線性過程對某些信道提供增益而對另一些信道則產(chǎn)生功率損耗，

3、從而使各個(gè)波長間產(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)場強(qiáng)有著密切的關(guān)系，為此引入兩個(gè)基本參量：有效長度和有效面積。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. 有效長度Leff：當(dāng)L很大時(shí)，對于損耗為0.2dB/km的光纖,Leff約20km 非線性對信號(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，需要對上述說法進(jìn)行修正。實(shí)際上，可以采用一個(gè)簡單而足夠精確的模型來假定功率在一段光纖長度內(nèi)為常數(shù)。LLeffP(0)實(shí)際傳輸距離2022/9/2961. 有效長度Leff：當(dāng)L很大時(shí)，對于損耗為0.2dB/2. 有效面積Aeff模場分布為高斯分布時(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，為簡單起見，采用有效面積Aeff表示。2022/9/2972. 有效面積Aeff模場分布為高斯分布時(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。是一種閾值行為。閾值功率：在長度為L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足夠長時(shí)，Leff 1/，而Aeff可用w2代

7、替，w為模場半徑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的泵浦場的能量傳遞給另一波長的光場，使該光場得到放大，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)波長波段的放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，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IM/DD系統(tǒng)無關(guān)緊要，但在級聯(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)對時(shí)間的微分2022二、互相位調(diào)制XPM在多波長系統(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是不同波長的光脈沖在光纖中共同傳輸時(shí)引起的一種光場的非線性相移。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： 光纖中不同波長的光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長上產(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