非线性光纤光学一绪论PPT课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第一章 绪论,1.,光纤与光纤通信,2.,光纤概述,3.,光纤的损耗特性,4.,光纤的色散特性,5.,光纤非线性效应,1.,光纤与光纤通信,光源,1841,瑞士 丹尼尔,科拉登,光束被限制在喷射的水流中传播,光纤的发展历史,(a),全内反射,(b),玻璃光导：,20,世纪,20,年代，美国电子工程师,Clarence W.Hansell,首先申请了利用玻璃光纤（实际上就是非常纤细的小棒）传输图像的专利。德国医生,Heinrich Lamm,在,1930,年首先制作了图像传输光纤束。,(c),意识到全内反射的重要性：,Moller Hansen,用人造黄油覆盖在玻璃外以产生全内反射，但结果不实用。,(d),“,包层,”,(cladding),概念的提出,:,1951,年，美国光物理学家,Brian O,Brien,和,Van Heel,分别独自提出了,“,包层,”,概念。,Van Heel,使用蜂蜡和塑料，比黄油实用。,1956,年底，密歇根大学的一个本科生,Larry Curtiss,制作了第一个包裹良好的玻璃包层光纤，用低折射率的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。随后发展成塑料包层。,光纤和通信,古希腊人用烽火来传播特洛伊战争的消息,最早的光通信,1953,年，在伦敦皇家科学技术学院工作的,Narinder Kapany,开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的包层纤维，这也就诞生了今天所用光纤的结构，,“,光纤,”,这个词就是,Kapany,给出的。,1960,年,Mainman,制作出第一台激光器才引发人们对光通信的关注。但是最初光纤的损耗很大，只传输,3m,就可以损失掉一半的能量，传输,20m,就只剩下,1,。用在胃部检查还可以,用于光通信不可能。,20,世纪,60,年代，光纤损耗超过,1000dB/km,；,1966,年，高锟预言高纯度的光纤可以传输光,500m,还剩余,10,的能量，当时听起来是神话。,1970,年出现突破，光纤损耗降低到约,20dB/km(1,m,附近波长区,),1979,年，光纤损耗又降到,0.2dB/km,(,在,1.55,m,处,),低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。,雏形：古代烽火、手旗、灯光,1880,年 贝尔的光电话,激光器,(,发送源）,光纤,(,传输介质,),1960 Maiman,发明红宝石激光器,1962,半导体激光器诞生,(GaAs 870nm),70,年代室温工作,LD,(GaAsAI 850nm),1300,、,1550nm,多模,LD,单模,LD,1951,医用玻璃纤维,(,损耗,1000dB/km),1966,高锟 理论预言,1970,康宁制出低损耗光纤,(20dB/km),1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km),低损耗窗口光纤开发,单模光纤,光纤通信的历史,光纤通信最具代表性技术：,掺铒光纤放大,EDFA,和波分复用,WDM,EDFA,光纤通信,超高速,大容量,长距离,网络化,一根光纤中可同时传输一百,多路信号，采用特殊技术,甚至可以同时传输,1022,路；,采用,DWDM,技术实现了,数十,Tb/s,的传输容量,单路速率不断提升，,已达到,10,、,20,、,40Gb/s,采用,OTDM,技术甚至,可达,1.28Tb/s,各种通信技术的快速,发展使上千甚至上万公,里的长距离传输成为可能,全光网成为目前光通信,领域最热门的话题之一,光纤通信的发展现状和趋势,2.,光纤概述,光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。,光纤,中心部分,(,芯,Core),同心圆状包裹层,(,包层,Clad),涂覆层。,特点：,n,core,n,clad,光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。,纤芯,包层,涂覆层,光纤的基本结构,结构及其分类,根据纤芯折射率径向分布的不同，可分为：,阶跃型（均匀）光纤,和,渐变型（梯度）光纤,光纤的类型（,1,）,阶跃光纤,(a),与渐变光纤,(b),的横截面和折射率分布,光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长,可传播的模的数量不同,多模光纤,2a=50 m,单模光纤,2a=410 m,外径：,2b=125,m,光纤的类型（,2,）,单模光纤和多模光纤,光纤的类型（,3,）,按制做光纤的材料分类：,石英系光纤,这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的,SiO,2,掺有适当的杂质制成，这种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前应用最广泛。,石英芯、塑料包层光纤,将高纯度的石英玻璃作纤芯，而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作为包层的阶跃型光纤。其特点是：易于和发光二极管（,LED,）光源结合，损耗也较小，非常适用于局域网（,LAN,）和近距离通信。,塑料光纤,纤芯和包层都用塑料（聚合物）做成，纤芯直径为,1000m,，比单模石英光纤大,100,倍，接续简单，易于弯曲，施工容易。,多组分玻璃光纤,多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的,SiO,2,为主，还包含有碱金属、碱土金属、铝、硼的氧化物的总称。其特点是：折射率一般比石英玻璃高，,n=1.491.54,，可以用来制作大数值孔径（,NA,0.20.6,）的光纤。熔融温度比石英系玻璃低一些，在,1400,摄氏度以下；抗压抗拉强度低于石英玻璃。,晶格：三角空气柱包层,Silica,柱芯,原理：低等效包层折射率全内反射,特性：次高阶模截止带宽内单模传输,折射率导引光纤,（,TIR-PCF,光子带隙导引光纤,（,PBG-PCF,晶格：六角空气柱包层空气柱芯,原理：光子带隙限制局域单模传输,特性：带隙窗口,(,数,m,),内单模传输,光子晶体光纤,PCF,不同结构的光子晶体光纤,折射率引导型光子晶体光纤（图中,A,、,C,、,D,）和光子带隙引导型光纤（图中的,E,、,G,、,I,）。,光纤的类型（,4,）,按表面涂层结构分类有：,紧套光纤：,光纤不能在塑套管内活动,松套光纤：,光纤能在塑套管内活动,短波长光纤：,早期使用的光纤波长都在,0.6,0.9m,范围内,(,典型值为,0.85m,),，把在此波长范围内工作的光纤称为短波长光纤。,长波长光纤：,把波长在,1.3lm,和,1.55m,区域内工作的光纤称为长波长光纤。,光纤的类型（,5,）,按工作波长分类有：,光纤的类型（,6,）,按照,ITU-T,提出的规范划分,:,多模光纤,G.651(MMF),，,单模光纤,G.652,（常规单模光纤）,G.653,光纤（色散位移光纤）,G.654,（低损耗光纤）,G.655,（非零色散位移光纤）,G.656,光纤（宽带光传输用非零色散位移光纤）,G.657,光纤（弯曲不敏感光纤）,色散平坦光纤（,DFF,）,色散补偿光纤（,DCF,）,表示光纤性质的光学参数,相对折射率差,(,阶跃光纤,),相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数，其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难易程度。,纤芯折射率,包层折射率,不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定角度范围内的光线产生的折射光线才能在光纤中传输。假如在光纤端面的入射角是,，在波导内光线与垂直于光纤轴线的夹角是,。,c,(,临界角,),的光线将发生全反射，而,c,的光线将进入包层泄漏出去。,为了光能够在光纤中传输，入射角,必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生全发射而返回纤芯，并以曲折形状向前传播。,不同入射角的光线,数值孔径（,NA,）,定义,数值孔径,(NA,Numerical Aperture),D,=,-,=,2,NA,1,2,2,2,1,n,n,n,NA(,或,sin,max,),越大，光纤接收光的能力越强。从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在,max,内的入射光都能在光纤中传输。,NA,越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。,但,NA,越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据使用场合，选择适当的,NA,。,折射率分布系数,折射率分布函数,折射率分布系数是用来描述折射率变化规律的物理量。,纤芯中心的折射率,折射率分布系数,纤芯半径,归一化频率,归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。,V,值越大，能够传播的模式越多！,可传播的模式数,时，只传输基模。,归一化频率与归一化传输常数的关系曲线,单模光纤截止波长,当,V2.405,时，光纤只能传输基模一个模式，其他模式均被截止。满足单模传输条件的最小波长称为截止波长，,单模光纤模场直径（,MFD,）,对单模光纤，,2a,与,处于同一量级，由于衍射效应，模场强度有相当一部分处于包层中，不易精确测出,2a,的精确值，因而只有结构设计上的意义，在应用中并无实际意义，实际应用中常用模场直径,2,w,，,即光斑尺寸表示，近似为：,2a,2w,电场强度降到峰值的,1/e,E,0,/e,e=2.71828,上式在,1.2V2.4,范围内,误差,1%,。,例如，,V,2,时，几乎,75%,的模式功率在纤芯内，而当,V,1,时，降到,20%,，这就是为什么大多数通信光纤的,V,值在,2,V,2.405,后，就不是单模运转了！,】,归一化模场半径,w/a,与归一化频率,V,的关系,【V,，,举 例：,1.,纤芯折射率,n,1,=1.468,，包层折射率,n,2,=1.447,，假如光源波长为,1300nm,，计算单模光纤的纤芯半径是多少？,将数值代入可得,2.,典型单模光纤的纤芯直径是,8m,，折射率是,1.46,。归一化折射率差是,0.3,，包层直径是,125m,，光源波长为,0.85m,。计算光纤的数值孔径、最大可接收角和截止波长。,解：光纤的数值孔径为,光纤制造,制造光纤的工艺流程,汽相沉积法,CVD,化学汽相沉积法,MCVD,改进的化学汽相沉积法,PCVD,等离子体化学汽相沉积法,OVD,棒外汽相沉积法,VAD,轴向汽相沉积法,非汽相沉积法,多组分玻璃法,凝胶法,机械成形光纤预制棒法,(1),制作预制棒,化学气相沉积法,(CVD),美国康宁公司,1970,年首先得到,20dB,km,的低损耗光纤所采用的方法，它是光纤制造采用的基本工艺。,这种工艺必须满足两个要求，即高纯度和精确控制折射率分布。,改进的化学气相沉积法,(MCVD),贝尔实验室在,1974,年开发,MCVD,法的特点：在石英反应管（衬底管）内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统处于封闭的超提纯状态下。,等离子气相沉积法,(PCVD),菲利浦公司、荷兰消费电子和电信公司在,1975,年联合开发。,它不同于,MCVD,的地方在于加热反应区的方法不是通过燃烧灯把热量从外部传输进去，而是利用微波激活气体，使气体电离成为等离子，即离子化气体，简称等离子体。,棒外气相沉积法,(OVD),康宁公司,(Corning)1972,年研发出来的第一个批量光纤制作工艺；通过沉积和固化两个步骤完成预制棒的制作。,轴向气相沉积法,(VAD),日本科学家在,1977,年开发；,把,SiCl,4,、掺杂剂气体送入氢氧火焰喷灯，使之在氢氧火焰中水解，生成氧化物粉尘，即石英玻璃微粒。这些粉尘沉积在基底棒或种子棒的下端部，而不是表面。,各种气相沉积法的比较,多组分玻璃法,多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的,SiO,2,为主，还包含有碱金属、碱土金属、铝、硼的氧化物等玻璃的总称。,熔制玻璃时，一般先按组分在洁净室里配好比例，然后均匀搅拌装填到一个坩埚里加温熔融合成透明的玻璃坯料，再将此玻璃坯料拉制成棒形，为下一步在双坩埚内再熔融拉制成光纤做准备。,这种工艺适合大数值孔径、低损耗光纤的批量生产。,凝胶法,凝胶法是一种生产塑料光纤预制棒的方法。它利用高分子聚合物中分子体积不同而发生选择性扩散来制造梯度折射率分布的塑料光纤预制棒。,机械成形光纤预制棒法,(MSP),机械成形预制棒工艺被人们确认为低成本的光纤生产工艺。其生产过程是：采用预先制好的、掺杂不同的纯石英粉，分别用在纤芯和包层区，并用填充机将这些纯粉料填充到石英管中，利用高温工艺使粉料坯块稳定为一疏松的预制棒。再把这一疏松棒取出来放入高温中，用氯化脱水处理，最后烧结成玻璃预制棒。,光纤拉丝装置示意图,(2),拉丝,(3),涂覆,裸露在空气中的光纤容易断裂，所以为了提高抗拉强度和抗弯强度，需要涂覆保护层。,一次涂覆：变性硅酮树酯、普通硅酮树酯,二次涂覆：套塑,3.,光纤的损耗特性,光纤损耗概述,以分贝为单位计算损耗（衰减）,输出功率低于输入功率，因此方程中若不含负号，结果应为负值。记住，在一些出版物中分贝定义为,负值，表示损耗。,损耗（衰减）是量度输入,/,输出功率比,的量，,通常用分贝表示，定义为,光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。,损耗系数定义,:,P,OUT,-,出纤光功率,P,in,-,入纤光功率,若,P,0,是入射光纤的功率，则传输功率,P,T,为：,这里,代表光纤损耗系数，,L,是光纤长度。习惯上光纤的损耗系数,定义为每千米光功率损耗的分贝数。,对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的损耗系数为,0dB/km,，但在实际中这是不可能的。,实际的低损耗光纤在,900nm,波长处的损耗为,3dB/km,，这表示传输,1km,后信号光功率将损失,50,，,2km,后损失达,75,(,损失了,6dB,),。之所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的损耗具有,可加性,。,用,dB,为单位使计算更为简单，不用像百分比那样做连乘，只要简单加减就行。即：,总损耗（,dB,）损耗,1,（,dB,）,+,损耗,2,（,dB,）,+,如果知道单位长度的损耗，则,总损耗（,dB,）,dB/km,长度,(km),光功率单位,dBm,若光纤通信系统的所有器件的光损耗都用分贝表示，则发射或接收功率也用分贝量度就非常有用，可以用下面定义的,dBm,单位实现：,这里选择,1mW,为参考功率是为了方便起见。,例如：,在这一单位中，,1mW,的功率相当于,0dBm,1mW,的功率时为正。,10W,的功率相当于,40dBm,若,所有量均用分贝表示,，则通过简单加减就可以由入射功率和衰减得到输出功率,还可以将方程写成另一种形式：,注意！,公式中的正负号非常重要，在以上方程中，损耗用分贝表示时为,正号,!,【,例,】,考虑一个输入端损耗为,3dB,、由损耗为,0.5dB/km,的,6km,长光纤构成的光纤系统，若输入功率为,0dBm,，求输出功率。,Pout,0dBm,3dB,（,6km,0.5dB/km,）,-6.0 dBm,，若用,mW,表示，结果为,0.25mW,。,第二传输窗口,第一传输窗口,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗,(dB/km),波 长,(nm),OH,离子吸收峰,单模光纤损耗谱特性,第三传输窗口,在,1.55,m,处最小损耗约为,0.2,dB/km,光纤的损耗机理,光纤损耗分类,损耗,散射损耗,制作缺陷,折射率分布不均匀,芯,-,涂层界面不理想,气泡、条纹、结石,本征散射及其他,瑞利散射,布里渊散射,拉曼散射,吸收损耗,本征吸收,紫外吸收,红外吸收,杂质离子的吸收,过渡族金属离子,OH,-,离子,弯曲损耗,（辐射损耗）,材料吸收损耗,本征吸收：,来自石英玻璃中电子跃迁和分子振动产生的吸收。包括紫外吸收（电子跃迁对光子的吸收）、红外吸收（分子振动态的改变对光子的吸收）等，是材料本身所固有的,-,本征吸收损耗,杂质吸收：,是由于材料不纯造成的，主要来源于石英玻璃中的金属离子和氢氧根,(OH,-,),OH,离子吸收。,O-H,键的基本谐振波长为,2.73m,，与,Si-O,键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在,1.39,、,1.24,、,0.95m,，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。,1380nm,950nm,720nm,OH,-,吸收谱,散射损耗,(1),瑞利散射：,一种基本损耗机理。,由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。,大小与,4,成反比，,R,C/,4,（,dB/km,）,因而主要作用在短波长区。,瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。,在,1.55,m,波段，,瑞利散射引起的损耗仍达,0.120.16,dB/km,，是该段损耗的主要原因。,(2),受激散射,受激布里渊散射,和,受激喇曼散射,是当强度足够高的激光在光纤中传输时，由于非线性效应产生散射光，造成传输光波强度减弱。,在三种散射中，瑞利散射最强，是光纤损耗的最低极限。,辐射损耗,又称,弯曲损耗,，包括三类：,宏弯损耗：,由在光纤实际应用中必需的盘绕、曲折等引起的宏观弯曲导致的损耗,过度完全损耗：,光纤由直到弯曲的突变中产生的损耗,微弯损耗：,光纤制备过程中或在应用过程中由于应变等原因引起的光纤形变所致,辐射损耗,THANK YOU,SUCCESS,2025/4/3 周四,59,可编辑,定性解释,：,导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。,相速度和群速度：,沿,z,方向传输的单色波：,其中是角频率（弧度,/,秒）；是传播常数（,m,-1,）。,相速度：,表征相位在空间的变化率,4.,光纤的色散特性,概述,波长略不相同的两个光波沿同一方向传输时干涉产生一个幅度以群速度运动的波包,群速度：,表征光信号包络的传输速度,假定它们都沿,z,方向传播，振幅均为,A,，这两列平面波叠加而,成的波包的复数形式为,考虑两个频率相近的角频率各为,，,而波数各为,相叠加而成的波包，,波振幅的极大值由,给出！,光纤色散：,信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。,将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。,色散类型：,模间色散（多模色散）,：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽,（仅多模光纤有）,波导色散,(,),：传播常数随频率变化,材料色散,n(,),：折射率随频率变化,偏振模色散,PMD,色度色散（或模内色散，波长色散，简称色散）,群时延是频率的函数,，因此任意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。,这种时延差所造成的后果就是光脉冲随时间的推移而展宽，而我们所关心的就是由,群时延引入的脉冲展宽程度,。,群时延：,频率为,的光谱分量经过长为,L,的单模光纤到达输出端的时延。,光脉冲展宽,光脉冲展宽,：由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展宽，不再同时到达光纤输出端。,为群速色散（,GVD,）；单位：,ps,2,/km,脉冲展宽同,2,、光纤长度,L,和信号谱宽,成正比,2,决定了脉冲在光纤中的展宽程度,!,以色散参数,Dps/(nm,km),表达脉冲展宽,D,的定义为：,D,代表两个波长间隔为,1nm,的光波传输,1km,后的时延,脉冲展宽：,是以波长单位表达的光信号谱宽,注意！,2,和,D,的,符号相反！,通信容量,光纤通信系统的通信容量用比特率距离积来表示，它是系统的一个极限参数。某个系统设计完成以后，通信容量则是一个定值。其意义是：数据速率和传输距离可以变化，但必须满足二者的乘积为常数。,容量估算：设系统比特率为,B,，距离为,L,，可以通过以下方法估算比特率距离积：光脉冲传输距离,L,后的展宽,不超过系统比特周期的四分之一，即,模间色散是由于在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽。,各类色散,多模光纤各模传输路径不同引起脉冲展宽,模间色散,(intermodal dispersion),（仅多模光纤有,),材料色散,D,m,：,纤芯材料的,折射率随波长变化,导致了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径，也会发生脉冲展宽。,材料色散引起的脉冲展宽可以表示为,材料色散系数，,单位,ps/(nm,km,),传输距离，,单位,km,光源线宽，,单位,nm,波导色散,D,W,：,由于单模光纤中只有约,80,的光功率在纤芯中传播，,20,在包层中传播的光功率其速率要更大一些，这样就出现了色散,在光纤输出端，脉冲会展宽。波导色散的大小取决于光纤的设计。,波导色散引起的脉冲展宽可以表示为,波导色散系数，,单位,ps/(nm,km,),在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成,偏振模色散,。,单模光纤中的偏振模色散,偏振模色散,(PMD),：,本征光纤双折射,随机的偏振模耦合,双折射的光通信器件,偏振模色散产生的原因？,+,外界的挤压,光纤的弯曲、扭转,外界环境温度的变化等,EDFA,，,FBG,，,DCF,Isolators,Couplers,Filters etc.,偏振模色散引起的脉冲展宽：,色散导致的脉冲展宽,如何计算总脉冲展宽？,将材料色散与波导色散相加，就会得到与波长有关的,色度色散,，,另外，光纤中还存在偏振模色散。模式色散、色度色散和偏振模色散的值彼此无关，因此要用这三种色散值平方和的方根来计算总的脉冲展宽：,总的脉冲展宽是模式色散、波长色散和偏振模色散造成的脉冲展宽的,平方和的平方根。,对于多模光纤而言，偏振模色散没有什么意义，这种情况下的脉冲展宽变为,单模光纤中不存在模式色散（而不是偏振模色散），这时方程变为,考虑色散后，输出脉冲宽度为：,单模光纤的色散,零色散波长,17ps/nm,km1550nm,D=D,M,+D,W,Dispersion of“Standard”Single-Mode Fiber,0,D,D,反常色散区,2,0,兰快红慢,光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得快,零色散波长,D,走离效应,色散的一个重要特性是，由于群速度失配，不同波长下的脉冲在光纤内以不同的速度传输，这一特性导致了,走离效应,，它在涉及到两个或更多个交迭脉冲的非线性现象的描述中起了重要的作用（,XPM,作用）。更准确地说，当传输得较快的脉冲完全通过传输得较慢的脉冲后，两光脉冲之间的互作用将停止。两脉冲之间的分离程度由走离参量,d,12,确定，,d,12,定义为,两脉冲的中心波长,对脉宽为,T,0,的脉冲，可以定义走离长度,L,W,为,例如，若,1,=1.3,m,的脉冲和,2,=0.8,m,的脉冲共同传输，它们将以约,20ps/m,的速率彼此分开。对,T,0,=10ps,的脉冲，其对应的走离长度仅为,50cm,。群速度失配在涉及到交叉相位调制参与的非线性效应时起很重要作用。,波导色散,D,W,对,D(,2,),的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯包层折射率差,。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移。,色散位移,G.653,色散位移光纤,EDFA,频带,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减,(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长,(nm),20,10,0,-10,-20,色散,(ps/nm.km),G.653,17ps/nm,km,G.652,G.653,色散位移光纤,EDFA,频带,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减,(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长,(nm),20,10,0,-10,-20,色散,(ps/nm.km),G.653,17ps/nm,km,G.652,非线性大,色散非常小,1550nm,窗口,不同信道的,WDM,信号传输速度相近四波混频,FWM,严重,Problem,G.655,非零色散位移光纤,17ps/nm.km,EDFA,频带,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减,(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长,(nm),20,10,0,-10,-20,色散,(ps/nm.km),G.653,G.652,G.655,色 散 小 结,色散造成的脉冲展宽限制了模拟和数字通信系统的传输速度，主要的色散类型有模式色散、色度色散和偏振模色散，总的脉冲展宽是这三种色散分别造成的脉冲展宽的平方和的平方根。,色度色散等于材料色散和波导色散之和，二者均有正负号。色度色散造成的脉冲展宽正比于发射机的光谱带宽和光纤长度。,材料色散反映了光纤材料的特性，随波长变化。它量度的是折射率随波长的变化。,波导色散源于波导性质的变化和光在光纤中按波长分布的特性。,若波导色散和材料色散的符号相反，二者能互相抵消，产生一个零色度色散。改变波导色散可以使零色散波长移动。,色度色散符号相反的光纤可以依次结合使用，以补偿系统的色度色散。,长途波分复用系统需要在整个波长范围内进行色散管理，色散斜率，即色散随波长的变化，也是需要着重考虑的问题。,偏振模色散源于光纤中存在的较低的双折射，以及模式间的混合，当数据率超过,2.5Gbit/s,时，偏振模色散变得比较明显。,概述,尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。,反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。导致新的学科分支,非线性光纤光学。,5.,光纤非线性效应,光纤中的非线性效应可分为两类,:,一、受激非弹性散射：,光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。包括：受激布里渊散射,(SBS),和受激喇曼散射,(SRS),二、非线性折射率：,光纤折射率与光强的相关性产生的效应。包括：自相位调制,(SPM),、互相位调制,(XPM),和四波混频,(FWM),SBS,、,SRS,及,FWM,过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。,SPM,和,XPM,都只影响信号的相位，从而使脉冲产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲展宽，尤其在高速系统中。,所有这些非线性中的任意一种效应引起信号损伤时，需要获得一些附加功率，以维持,BER,（误码率）与原先无非线性效应时一样。这部分附加功率（以分贝为单位）就是相应非线性效应的,功率代价,。,非线性效应与传输距离和纤芯内场强有着密切的关系，为此引入两个基本参量：,有效长度和有效面积。,a.,有效长度,L,eff,：,当,L,很大时，,。对于损耗为,0.2dB/km,的光纤,L,eff,约,20km,非线性对信号的影响完全随距离增加而增加。但是，由于光纤损耗而带来信号功率连续下降，需要对上述说法进行修正。实际上，可以采用一个简单而足够精确的模型来假定功率在一段光纤长度内为常数。,L,L,eff,P(0),实际传输距离,b.,有效面积,A,eff,:,模场分布为高斯分布时,A,eff,=,W,2,普通单模光纤的,A,eff,80m,2,色散位移光纤的,A,eff,55m,2,色散补偿光纤的,A,eff,20m,2,A,eff,非线性效应随光纤中光强的增大而增大。对于一个给定的光纤，光强反比于光纤纤芯的横截面积。由于光功率在光纤纤芯内不是均匀分布的，为简单起见，采用有效面积,A,eff,表示。,受激非弹性散射,:,受激非弹性散射,：散射光频率下移，光场把部分能量传递给介质。,一个高能量光子（通常称为泵浦）被散射成一个低能量的光子（斯托克斯光），同时产生能量为两光子能量差的另一个能量子,SBS,参与的能量子为声学声子，只有后向散射,SRS,参与的能量子为光学声子，以前向散射为主，但也有后向散射,在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将指数增长。是一种,阈值行为,。,阈值功率,：在光纤输出端有一半功率被损失到斯托克斯光时的入射功率,受激布里渊散射（,SBS,）,2,、功率阈值,1,、机理,SBS,可描述为泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作用。可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声学声子。,阈值功率,P,th,与光纤的衰减系数,、光纤有效长度,L,eff,、布里渊增益系数,g,B,和光纤的有效面积,A,eff,有关，可近似写为：,L,足够长时，,L,eff,1/,；,A,eff,可用,w,2,代替，,w,为模场半径,峰值增益,g,B,5,10,-11,m/W,，于是,P,th,可低至,1mW,，特别是在,1550nm,最低损耗处，将极大地限制光波系统的注入功率。但以上估计忽略了与入射光有关的谱宽效应，在典型系统中阈值功率可增大至,10mW,或更高。不过还应注意消除。,3,、特点,增益带宽窄（约,10GHz,），这说明,SBS,效应被约束在,WDM,系统的单个波长信道内。,功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值越低,4,、减小,SBS,对系统影响的主要措施：,减低入纤功率（减小中继间隔）,增加光源线宽（色散限制）,5,、主要应用：,一般情况下，,SBS,在光纤通信系统中是一种有害的因素，应注意减小。但由于它能通过将具有合适波长的泵浦场的能量传递给另一波长的光场，使该光场得到放大，所以能用于制造,布里渊放大器,。但由于其增益谱宽窄，放大器的带宽也很窄。,受激喇曼散射（,SRS,）,SRS,：入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。,SRS,是非线性光纤光学中一个很重要的非线性过程，它可使光纤成为,宽带喇曼放大器和可调谐喇曼激光器,，也可使某信道中的能量转移到相邻信道中，从而严重影响多信道光通信系统的性能。,1,、功率阈值,g,R,-,喇曼增益,系数,SRS,的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功率一般低于,10mW,，因此,SRS,一般对光纤损耗不起作用。,1,2,3,4,1,2,3,4,fiber,2,、特点：,增益带宽宽（约,125nm,），影响其它信道功率,WDM,系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。,3,、减小,SRS,对系统影响的主要措施：,减低入纤功率（减小中继间隔）,减小信道间隔,4,、应用：喇曼光纤放大器和激光器,高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为,FRA,的实现奠定了坚实的基础。,FRA,可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大。,1,450,nm,1,490,nm,1,530,nm,1,570,nm,1,610,nm,1,650,nm,S+Band,S Band,C Band,L Band,L+Band,RFA,TDFA,EDTFA,GS-EDFA,EDFA,Erbium Doped,Fiber Amplifier,Gain-Shifted,Erbium Doped,Fiber Amplifier,Tellurite-Based,Erbium Doped,Fiber Amplifier,Thulium Doped,Flouride-Based,Fiber Amplifier,Raman Fiber Amplifier,Total 200 nm:500 1,000 waves?,80,nm:200 waves?,40,nm,1,550,nm,1,580,nm,Potential of Optical Fiber:perhaps 250 waves x 100 Gb/s=25,000 Gb/s=25 Tb/s?,Fujitsu Proprietary,各种光纤放大器,非线性折射率,在较高入射光功率下，纤芯折射率应表示为：,(,光场线偏振，光脉冲宽度,1ps),三阶极化张量,光场幅度的有效值或均方根,线性折射率,非线性折射率或,Kerr,系数,折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大部分非线性效应都起源于非线性折射率。,自相位调制,SPM,折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变化，使传播常数增加了一附加项：,光纤有效截面积,由模场自身产生的非线性效应而引起的非线性相移称为,自相位调制,，信号光强的瞬间变化引起其自身的相位调制。,线性传输时的传播常数,非线性系数,光纤中传输的功率,非线性相移,非线性相移与信号功率成比例增大，,输入信号功率越大，非线性效应越强。,SPM,不仅随光强而变，而且随时间变化，这种瞬时变化相移将引起光脉冲的频谱展宽，导致在光脉冲的中心两侧出现不同的瞬时光频率，即出现,频率啁啾,。,频率啁啾,相位调制导致的频率啁啾为：,频率啁啾随传输距离增大而增大，因此随着光脉冲沿光纤传输将不断产生新的频率分量，频谱将不断展宽。脉冲频谱的展宽程度还与脉冲形状有关。,实线超高斯脉冲；虚线,高斯脉冲,1,、非线性相移在时域的形状与光强相同。,2,、对于高斯脉冲，中心附近较大的范围内，有正的线性啁啾。,3,、对于前后沿较陡的脉冲，啁啾量显著增大。,4,、超高斯脉冲的啁啾仅发生在脉冲沿附近，且不是线性变化的，而中心频率附近为零。,SPM,影响下的频谱结构,增大峰值功率就依次显现出频谱多峰的结构,SPM,特点：,(a)SPM,导致频率啁啾，正比于光强对时间的微分,(b),频率啁啾将导致脉冲谱宽增加,(c)SPM,与色散共同作用，在正常色散区，加剧脉冲展宽速度；在反常色散区减低脉冲展宽速度,(,但,SPM,将导致脉冲畸变,),，在一定条件下，可以使色散效应与,SPM,效应互相抵消，实现脉冲无畸变传输,-,孤子,交叉相位调制,XPM,在多波长系统中（,WDM,），光强的变化引起相位的变化，由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。,XPM,是不同波长的光脉冲在光纤中共同传输时引起的一种光场的非线性相移。,特点：,信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第,j,信道的相移可写为：,M,：信道总数；,P,j,：信道功率（,j,1,M,）；因子,2,表明在同样功率下,XPM,的影响是,SPM,的两倍,，这样总相移就与所有信道功率和有关，并根据相邻信道比特图样而变化。,说明：,在,WDM,系统中，某信道的,XPM,是其它信道共同作用的结果。,XPM,已成为,WDM,系统主要的功率限制因素之一。,由于各信道之间偏振态的随机性，,XPM,又呈现出复杂的统计特性。,减小影响的主要方法：,增大信道间隔,减低信号功率,相邻信道正交偏振,四波混频,FWM,FWM,：,光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。,对于等间隔的,WDM,系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。,1,2,3,特点：,小的色散光纤，相位匹配易于满足，,FWM,越加严重，故应在,色散与,FWM,之间取折衷。,减小影响：,增加信道间隔、,适当加大色散,、非等间隔信道、减小光功率、相邻信道正交偏振（破坏相位匹配）,非线性光纤光学领域的发展,1972,年，研究了单模光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射、光感应双折射、参量四波混频和自相位调制等其他非线性现象的研究；,1973,年，提出了通过色散和非线性效应的互作用将会导致光纤产生类孤子脉冲这一重要结论。,1980,年，在实验中就观察到了光孤子并在,20,世纪,80,年代导致了超短光脉冲的产生和控制方面的一些成就。另一个同样重要的进展是将光纤用于光脉冲压缩和光开关。,1987,年，利用光纤非线性效应的压缩技术已产生了短到,6fs,的脉冲。,20,世纪,90,年代，非线性光纤光学领域继续得到发展，特别是,EDFA,的使用导致了多信道光波系统设计上的革命。,光纤放大器的研究进展同时