光纖的非線性光學(xué)效應(yīng).ppt

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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)2.6.1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)會積累到足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致對信號的嚴(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)。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)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，從而使各個波長間產(chǎn)生串?dāng)_。SPM和XPM都只影響信號的相位，從而使

3、脈沖產(chǎn)生啁啾，這將會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。所有這些非線性中的任意一種效應(yīng)引起信號損傷時，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。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，為此引入兩個基本參量：有效長度和有效面積。非線性效應(yīng)概述1.有效長度Leff：當(dāng)L很大時，對于損耗為0.2dB/km的光纖,Leff約20km非線性對信號的影響完全隨距離增加而增加。但是

4、，由于光纖損耗而帶來信號功率連續(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2.有效面積Aeff模場分布為高斯分布時,Aeff=?W2普通單模光纖的Aeff?80?m2色散位移光纖的Aeff?55?m2色散補(bǔ)償光纖的Aeff?20?m2Aeff非線性效應(yīng)隨光纖中光強(qiáng)的增大而增大。對于一個給定的光纖，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。2.6.2受激非彈性

5、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)。一個高能量光子（通常稱為泵浦）被散射成一個低能量的光子（斯托克斯光），同時產(chǎn)生能量為兩光子能量差的另一個能量子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，但也有后向散射在高功率傳輸時，光纖中的受激喇曼散射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，這個輸入功率叫做閾值功率。受激非

6、彈性散射二、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€泵浦光子的湮滅，同時產(chǎn)生一個斯托克斯光子和一個聲學(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，Leff?1/?，而Aeff可用?w2代替，w為模場半徑峰值增益gB?5?10-11m/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。但以上估計忽略了與入射

7、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4、減小SBS對系統(tǒng)影響的主要措施減低入纖功率（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

8、，放大器的帶寬也很窄。二、受激布里淵散射（SBS）（3）三、受激喇曼散射（SRS）（1）SRS：入射光波的一個光子被一個分子散射成為另一個低頻光子，同時分子完成振動態(tài)之間的躍遷。SRS是非線性光纖光學(xué)中一個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。三、受激喇曼散射（SRS）（2）1、功率