光纤通信技术 教学课件 作者 张新社 刘原华 何华 金蓉 光纤通信技术-第十一章-光纤通信新技术.ppt

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1、11.1新型光纤技术11.2全光光纤通信技术11.3相干光通信第11章光纤通信新技术11.1.1光纤的非线性效应在常规光纤通信系统中，光纤中的光场较弱，此时光纤是无源媒质，也称为线性媒质，光纤的各项特征参量随光场作线性变化。随着密集波分复用技术和掺铒光纤放大器技术的不断进步，光纤中所传输的波长数越来越多，进入光纤的光功率不断增大，此时光纤开始呈现出非线性光学特性。非线性光学效应的强弱不仅与光强有关，而且与相互作用的长度有关。由于光纤的损耗极小，可以在较长的距离上保持高的光强度，这大大增加了相互作用的

2、长度，从而使非线性光学效应成为最终限制系统性能的因素。1.非线性光学效应非线性光学效应是强光场与物质相互作用，由于非线性极化所产生的一些现象。当外电场强度足够大时，P与E不再成线性关系，其关系可用级数表示为式中第一项为线性极化项，第二项、第三项等等为非线性极化项。将非线性极化项展开，可以看到大量的非线性光学效应。二阶非线性极化项可以产生各入射基波分量的二次谐波（倍频波）、和频波、差频波以及一个直流电场，相应的效应分别为倍频、和频、差频以及光整流效应。光纤中的非线性效应可分为两类:一、受激非弹性散射：

3、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)非线性效应概述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。在光

4、纤中传输中光脉冲，脉冲从前到后频率有变化叫做啁啾。受激非弹性散射1.概述受激非弹性散射：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：在长度为L的光纤输出

5、端因非弹性散射而损耗了50%的输入功率，这个输入功率叫做阈值功率。受激非弹性散射受激布里渊散射（SBS）（1）2、阈值功率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Pth与光纤的衰减系数、光纤有效长度Leff、布里渊增益系数gB和光纤的有效面积Aeff有关，可近似写为：L足够长时，Leff1/，而Aeff可用w2代替，w为模场半径峰值增益gB510-11m/W，这样Pth可低至1mW，特别是

6、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。受激布里渊散射（SBS）（2）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。阈值功率与光源线宽有关，光源线宽越窄，阈值功率越低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、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

7、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。受激布里渊散射（SBS）（3）受激喇曼散射（SRS）（1）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。受激喇曼散射（SRS）（2）1、功率阈值gR--喇曼增益SRS的阈值功率较高

8、。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4fiber2、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。受激喇曼散射（SRS）（3）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、利用：喇曼光纤放大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