北大光纖通信：7非線性課件

7、非線性

5月28日~6月10日《非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用》上篇第1章導(dǎo)論p4~15；第4章自相位調(diào)制p63~83；第7章交叉相位調(diào)制p165~170；第8章受激拉曼散射p187~191，p194~199第9章受激布里淵散射p222~223，p238~239；第10章參量過程p244~249，p267~27217、非線性

5月17-24日非線性概念線性系統(tǒng)：1、輸入、輸出信號(hào)頻譜相同2、特性參數(shù)（傳遞函數(shù)）與輸入信號(hào)幅度無關(guān)線性系統(tǒng)的輸入、輸出滿足疊加原理線性系統(tǒng)N路信號(hào)同時(shí)輸入線性系統(tǒng)N路信號(hào)分別輸入2光纖的結(jié)構(gòu)和基本特性……G.652單模光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)包層直徑：125m纖芯折射率：1.468纖芯直徑：~8m(DCF4~5m)相對(duì)折射率差：0.3%在小信號(hào)狀態(tài)下，光纖是線性傳輸系統(tǒng)。由于光纖的纖芯直徑很小，即使在輸入光功率并不太大的情況下，纖芯內(nèi)的能量密度也非常大。這就使光纖內(nèi)部介質(zhì)材料的物理特性參數(shù)可能與光強(qiáng)有關(guān)，也就是說光纖內(nèi)部的介質(zhì)材料可以從線性材料變?yōu)榉蔷€性材料。7、非線性

5月17-24日3光纖的非線性（3-p13）7、非線性

5月17-24日1次點(diǎn)乘后化為矢量2次點(diǎn)乘后化為矢量5整個(gè)表達(dá)式完全展開十分繁瑣，一般都假設(shè)電場(chǎng)只有一個(gè)分量以便簡(jiǎn)化計(jì)算。需要注意的是，由于此時(shí)討論的是非線性系統(tǒng)，三個(gè)電場(chǎng)分量單獨(dú)作用于系統(tǒng)的響應(yīng)的線性疊加不等于三個(gè)電場(chǎng)共同作用于系統(tǒng)時(shí)的響應(yīng)。光纖中的最低階非線性起源于（3）。它可引起3次諧波混頻、4波混頻以及非線性折射現(xiàn)象。由于光纖中產(chǎn)生新頻率分量的非線性效應(yīng)需要嚴(yán)格的相位匹配條件，一般情況下不易發(fā)生。因此光纖中的非線性效應(yīng)主要是非線性折射引發(fā)的。非線性折射率：其中，假設(shè)光場(chǎng)為線偏振，且偏振方向?yàn)閤。7、非線性

5月17-24日6光纖中的非彈性散射：1、拉曼散射和受激拉曼散射SRS7、非線性

5月17-24日finfout為拉曼散射光光學(xué)聲子ffin=fout+f；石英系光纖f~13.2THz在光波頻段增益譜與泵浦波長(zhǎng)相關(guān)（3-圖8.1）在光纖中自發(fā)拉曼散射始終存在，但其轉(zhuǎn)換效率很低（106），所以拉曼光纖放大器的噪聲系數(shù)較小。當(dāng)光纖中的光功率密度達(dá)到閾值后（按3-8.1.13式的討論條件~600mW）將發(fā)生轉(zhuǎn)換效率很高的受激拉曼散射（大部分輸入光功率可以轉(zhuǎn)移到信號(hào)光上）。7光纖中的非彈性散射：1、拉曼散射和受激拉曼散射SRS假設(shè)拉曼增益譜為洛倫茲形，則激拉曼散射的臨界泵浦功率可近似為：Aff為光纖有效截面積，Lff為光纖有效長(zhǎng)度，gR為拉曼增益系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）8m，受激拉曼散射的閾值（臨界泵浦功率）：~500mW色散補(bǔ)償光纖（DCF）4~5m，受激拉曼散射的閾值（臨界泵浦功率）：~100mW7、非線性

5月17-24日92、拉曼光纖放大器7、非線性

5月17-24日輸入信號(hào)光摻鉺光纖輸出光光隔離器光濾波器光耦合器光隔離器光耦合器同向泵浦激光器及控制電路數(shù)十到數(shù)百米反向泵浦激光器及控制電路光耦合器SMF光纖光耦合器同向泵浦激光器及控制電路光信號(hào)發(fā)射端機(jī)反向泵浦激光器及控制電路光信號(hào)接收端機(jī)DCF光纖SMF光纖DCF光纖數(shù)十到數(shù)百米數(shù)十到數(shù)百公里SSMF8m，受激拉曼散射的閾值~500mWDCF4~5m，受激拉曼散射的閾值~100mW102、拉曼光纖放大器優(yōu)點(diǎn)主要包括：1、頻帶寬（13.2THz~100nm，增加泵浦源可以拓寬放大器的增益頻帶）；2、噪聲系數(shù)低（低于EDFA，光纖中自發(fā)拉曼散射的效率很低106）。主要困難：分布式放大，適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用，在光網(wǎng)絡(luò)中存在優(yōu)化困難。7、非線性

5月17-24日光耦合器SSM光纖光耦合器同向泵浦激光器及控制電路光信號(hào)發(fā)射端機(jī)反向泵浦激光器及控制電路光信號(hào)接收端機(jī)DCF光纖SSM光纖DCF光纖數(shù)十到數(shù)百米數(shù)十到數(shù)百公里SSMF8m，受激拉曼散射的閾值~500mWDCF4~5m，受激拉曼散射的閾值~100mW11拉曼放大器的帶寬f：已知：fin

=fout+f；f~13.2THzf=

foutN

fout1=（finN

f）（fin1

f）=finN

fin1

7、非線性

5月17-24日fPfout1foutN……fin1finN……13.2THz拉曼放大器帶寬代入f=13.2THz，=1550nm，光速c。105.7nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于EDFA。13光纖中的非彈性散射：3、受激布里淵散射SBS的基本概念7、非線性

5月17-24日finfout為受激布里淵散射光聲學(xué)聲子ffin=fout+f；f~10GHz在聲波頻段受激布里淵散射的理論閾值很小，按照3-9.2.6式的討論條件~1mW。在1550nm附近，實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的受激布里淵散射閾值大于30mW。受激布里淵散射只有與輸入信號(hào)相反方向的輸出光。由于受激布里淵散射背向傳輸特征和聲波頻差（f=10GHz，=1550nm，0.8nm），因此該機(jī)理不適合于光纖通信系統(tǒng)中的光放大器。目前，受激布里淵散射是光纖通信系統(tǒng)中的有害效應(yīng)。14參量過程參量過程的基本概