第2讲光纤课件.ppt

2.4.1 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。 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) 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。 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。 非线性效应概述 1. 有效长度Leff： 当L很大时， 对于损耗为0.2dB/km的光纤,Leff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 Leff P(0) 实际传输距离 2. 有效面积Aeff: 模场分布为高斯分布时,Aeff=?W2 普通单模光纤的Aeff?80?m2 色散位移光纤的Aeff?55?m2 色散补偿光纤的Aeff?20?m2 Aeff 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Aeff表示。 2.4.2 受激非弹性散射 一、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 受激非弹性散射 二、受激布里渊散射（SBS）（1） 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。 二、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。 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、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。 二、受激布里渊散射（SBS）（3） 三、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。 三、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。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