第4章介质光波导传输理论汇编.ppt

通信与信息技术教学部 受激拉曼散射 受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)是介质中的分子振动对入射光（称为泵浦光）的相互作用，从而使入射光产生散射。设入射光频率为?p，介质分子振动频率为?v，则散射光频率为?S=?p??v和?aS=?p+?v，这种现象叫受激拉曼散射。所产生的频率为?S的散射光叫斯托克斯波(Stokes)，频率为 ?aS散射光叫反斯托克斯波。 通信与信息技术教学部 受激拉曼散射 对斯托克斯波可用物理概念来描述：一个入射光子消失，产生了一个频率下移光子（即Stokes波）和一个有适当能量和动量的光子，使能量和动量守恒。 对典型的单模光纤，受激拉曼散射产生的最低阈值泵浦光功率PR可近似表示为： 式中，Aeff为纤芯有效面积，即Aeff??W02（W0为 模场半径）；Leff为光纤的有效互作用长度； gR是拉曼增益系数。 通信与信息技术教学部 受激拉曼散射 由上可见，阈值泵浦光功率与光纤的有效面积成正比，与光纤的有效长度成反比。若遇超低损耗的单模光纤，拉曼阈值会很低。对于?=1?m附近，gR=10?11m/W，Leff=20km，Aeff=50?m2时，预测的拉曼阈值约400mW。 受激拉曼散射的频移量在光频范围，?s波和?p波传输方向一致。?s波和?aS波传输方向相反，可采用光隔离器来消除相反方向传输的光功率。 通信与信息技术教学部 受激布里渊散射 受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)是一种由光纤中的光信号和声波之间的相互作用所引起的非线性现象。 入射的光频?p的泵浦光将部分能量转移给频率为?s的斯托克斯波，并发出频率为Q的声波。 Q=?p??s 受激布里渊散射的频移量在声频范围，?s波和?p波传输方向相反。在光纤中，SBS产生的最低阈值 泵浦光功率PB可近似表示为： 通信与信息技术教学部 对于?=1?m附近Aeff=50?m2，Leff=20km，布里渊增益系数gB=5×10?11m/W ，光纤受激布里渊散射阈值PB?1mW，比PR小得多。其精确值的大小取决于光源的谱线宽和光纤的特性，与信道数无关。 SRS和SBS对光通信的不利影响是，光信号功率一旦达到拉曼或布里渊散射阈值，约65%能量将变成反向传输的斯托克斯波。这一方面消耗信号功率，另一方面反向斯托克斯波将使激光器工作不稳定。 通信与信息技术教学部 折射率扰动 在低的光功率作用下，石英玻璃光纤的折射率是保持恒定的，但是用掺铒光纤放大器获得高的光功率，通过改变所传输信号的光强度，能够引起光纤折射率的变化，它们的关系如下式所示： n=n0+n2P/Aeef=no +n2|E|2 式中，n0为线性折射率；n2为非线性折射率；P为输入功率；Aeef为纤芯有效面积；E为光场强度。 折射率扰动引起三种非线性效应： 自相位调制、交叉相位调制和四波混频。 通信与信息技术教学部 （1）自相位调制 自相位调制（Self Phase Modulation，SPM）是指传输过程中光脉冲自身相位变化，导致脉冲频谱展宽的现象。 光脉冲在光纤传输过程中相位变化为： ?=(n0+n2|E|2)k0L=?0+?NL 式中，k0=2?/?；L是光纤长度；?0=n0k0L是相位变化的线性部分；?NL=n2k0L|E|2为自相位调制。 从原理上，自相位调制可用来实现调相。可在 光纤中产生光孤子，实现光孤子通信。 通信与信息技术教学部 （2）交叉相位调制 交叉相位调制（Cross Phase Modulation，CPM）是一个脉冲对其他信道脉冲相位的作用。当两个或多个不同波长的光波在光纤的非线性作用下，将产生CPM，CPM仅出现在多信道系统中。 在脉冲之间相互作用产生传输性能下降的过程中，波长色散起着双重作用。一方面色散降低以不同群速度传输的脉冲之间的相互作用，另一方面，波长色散暂时扩宽频谱功率。因此，CPM的作用是复杂的，但可用非零色散位移光纤能 有效地限制CPM。 通信与信息技术教学部 （3）四波混频 四波混频（Four Wave Mixing，FWM）是指由两个或三个波长的光波混合后产生的新光波，其原理如图4-24所示。在系统中，某一波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产生新的波长。新波长数量与原始波长数量是呈几何递增的，即：N=N02(N0?l)/2(N0为原始波长数)，而且四波混频与信道间隔关系密切，信道间隔越小，FWM越严重。 通信与信息技术教学部 图4-24 四波混频产生原理 通信与信息技术教学部 FW