第8章--非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)及應(yīng)用ppt課件.ppt

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1、第8章非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)及應(yīng)用8.1非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)8.2光纖拉曼放大器8.3光纖孤子通信8.4波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器1光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著8.1非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)8.1.1非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)8.1.2幾種光纖非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)2光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著8.1.1非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)3光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著圖8.1.1強(qiáng)電場(chǎng)引起非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)4光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著8.1.2幾種光纖非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)在強(qiáng)電磁場(chǎng)的作用下，任何介質(zhì)對(duì)光的響應(yīng)都是非線(xiàn)性的，光纖也不例外。SiO2本身雖不是強(qiáng)的非線(xiàn)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)

2、過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸，光纖非線(xiàn)性效應(yīng)就不可忽視了。光纖非線(xiàn)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(lái)源于介質(zhì)材料的三階極化率?3；與其相關(guān)的非線(xiàn)性效應(yīng)主要有受激拉曼散射（SRS）、受激布里淵散射（SBS）、自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混合（FWM），以及孤子（Soliton）效應(yīng)等。5光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著1.受激光散射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。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(guò)一定閾值時(shí)，兩種散射的光強(qiáng)都隨入射光功率成

3、指數(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。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)。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)現(xiàn)信號(hào)光的放大。6光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著2.非線(xiàn)性折射率調(diào)制效應(yīng)（1）自相位調(diào)制（SPM）在討論光纖模式時(shí)，認(rèn)為SiO2光纖的折射率與入射光功率無(wú)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(xiàn)性效應(yīng)的影響。由于非線(xiàn)性折射率效應(yīng)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非線(xiàn)性相移。對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)系統(tǒng)，這種相位移不會(huì)產(chǎn)生影響，

4、但在相干光纖通信系統(tǒng)中，相位的穩(wěn)定性十分重要。在相干光通信系統(tǒng)中，折射率對(duì)功率的依賴(lài)關(guān)系將是限制系統(tǒng)的一個(gè)因素。對(duì)于很窄的光脈沖，SPM可以減少色散引起的光脈沖展寬。在光纖沒(méi)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（2）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)在光纖中傳輸時(shí)，折射率與光功率的依賴(lài)關(guān)系也可以導(dǎo)致XPM。這樣某一信道的非線(xiàn)性相位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)。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，某一信道的非線(xiàn)性相位移不僅與所

5、有信道的功率有關(guān)，并且與信道碼型也有關(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“1”碼的最壞情況下，10個(gè)信道的信道功率也被限制到低于1mW。很顯然，XPM可能是一個(gè)主要的功率限制因素。8光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著（3）四波混頻及其對(duì)DWDM系統(tǒng)的影響和對(duì)策圖8.1.2四波混頻產(chǎn)生了新的頻率分量ffwm=f1+f2?f3石英光纖的三階極化?3率不為零，可以引起四波混頻（FWM），如果有三個(gè)頻率分別為f1、f2、f3的光場(chǎng)同時(shí)在光纖中傳輸，?3將會(huì)引起頻率為f4的第四個(gè)場(chǎng)f4=f1±f2±f3在多信道復(fù)用系統(tǒng)中，ffwm=f1+f2

6、?f3組合最為不利，特別是當(dāng)信道間隔相當(dāng)小的時(shí)候（約1GHz），相位匹配條件很容易滿(mǎn)足，有相當(dāng)大的信道功率可能通過(guò)四波混頻被轉(zhuǎn)換到ffwm光場(chǎng)中。9光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著8.2光纖拉曼放大器EDFA只能工作在1530~1564nm之間的C波段；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譜只由泵浦波長(zhǎng)決定，而與摻雜物的能級(jí)電平無(wú)關(guān)，所以只要泵浦波長(zhǎng)適當(dāng)，就可以在任意波長(zhǎng)獲得信號(hào)光的增益光纖拉曼放大器已成功地應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)和無(wú)中繼海底光纜系統(tǒng)中。10光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著8.2.1光纖拉曼放大器的工作原理增

7、益介質(zhì)：系統(tǒng)傳輸光纖；工作原理：基于非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)，利用強(qiáng)泵浦光通過(guò)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)生比泵浦光波長(zhǎng)?P還長(zhǎng)的散射光（斯托克斯光?P–?R）。該散射光與波長(zhǎng)相同的信號(hào)光?s重疊，從而使弱信號(hào)光放大，獲得拉曼增益。就石英玻璃而言，泵浦光波長(zhǎng)與待放大信號(hào)光波長(zhǎng)之間的頻率差大約為13THz，在1.5?m波段，由附錄G可知，它相當(dāng)于約100nm的波長(zhǎng)差，即有100nm的增益帶寬。11光子學(xué)與光電子學(xué)原榮邱琪編著分布式拉曼放大器（DRA）的工作原理采用拉曼放大時(shí)，放大波段只依賴(lài)于泵浦光的波長(zhǎng)

8、，沒(méi)有像EDFA那樣的放大波段的限制。從原理上講，只要采用合適的泵浦光波長(zhǎng)，就完全可以對(duì)任意輸入光進(jìn)行放大。分布式光纖拉曼放大器（DRA）采用強(qiáng)泵浦光對(duì)傳輸光纖進(jìn)行